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"FULLEREN - LA MATRICE DELLA VITA..."

Quindi, a differenza delle ben note forme di carbonio - diamante e grafite, il fullerene lo è molecola costituito da atomi di carbonio. Il membro più importante della famiglia dei fullereni C60 è costituito da 60 atomi di carbonio. In effetti, non possiamo dire "molecola di diamante" o grafite, queste sono solo forme cristalline con una certa disposizione spaziale degli atomi di carbonio nel reticolo. Il fullerene è l'unica forma molecolare di carbonio.

La natura ha unito molti concetti contraddittori in un unico oggetto.

Il fullerene è un legame tra materia organica e inorganica. Questa è una molecola, una particella e un ammasso. Il diametro della molecola C60 è di 1 nm, che corrisponde al limite di finezza compreso tra lo stato “vero”, molecolare e colloidale delle sostanze.

Se guardiamo all'interno del fullerene, troveremo solo un vuoto penetrato da campi elettromagnetici. In altre parole, vedremo una specie di spazio cavo, di circa 0,4 nm di diametro, contenente “ niente" - vuoto, racchiusa in un guscio di carbonio, come in una specie di contenitore. Inoltre, le pareti di questo contenitore non consentono la penetrazione di particelle di materiale (ioni, atomi, molecole). Ma lo spazio cavo stesso, come se fosse parte del cosmo, lo è piuttosto qualche cosa niente è in grado di partecipare a sottili interazioni informative con l'ambiente materiale esterno. Una molecola di fullerene può essere definita una "bolla del vuoto", per la quale la ben nota tesi che la natura non tollera il vuoto non si adatta. Vuoto e materia- i due fondamenti dell'universo uniti armoniosamente in una molecola.

Un'altra notevole proprietà dei fullereni è la loro interazione con l'acqua. La forma cristallina è nota per essere insolubile in acqua. Molti tentativi per ottenere soluzioni acquose di fullereni portano alla formazione di sistemi colloidali o di fullerene-acqua grossolanamente dispersi, in cui le particelle contengono un gran numero di molecole in forma cristallina. Ottenere soluzioni molecolari acquose sembra impossibile. E avere una soluzione del genere è molto importante, e prima di tutto per il loro utilizzo in biologia e medicina. Sin dalla scoperta dei fullereni, è stata prevista la sua elevata attività biologica. Tuttavia, l'opinione generalmente accettata sull'idrofobicità dei fullereni ha indirizzato gli sforzi di molti scienziati alla creazione di derivati ​​idrosolubili o forme solubilizzate. In questo caso, vari radicali idrofili vengono cuciti alla molecola del fullerene o circondati da polimeri e tensioattivi idrosolubili, grazie ai quali le molecole di fullerene sono “costrette” a rimanere nel mezzo acquoso. In molte opere, il loro massimo attività biologica. Tuttavia, qualsiasi cambiamento nel guscio di carbonio esterno porta a una violazione della struttura elettronica e della simmetria della molecola del fullerene, che, a sua volta, cambia la specificità della sua interazione con l'ambiente. Pertanto, l'effetto biologico delle molecole di fullerene trasformate artificialmente dipende in gran parte dalla natura dei radicali attaccati e dai solubilizzanti e dalle impurità contenute. L'individualità più sorprendente delle molecole di fullerene è mostrata in forma non modificata e, in particolare, le loro soluzioni molecolari in acqua.

Le soluzioni acquose risultanti di fullereni sono stabili nel tempo (più di 2 anni), sono invariabili proprietà fisiche e chimiche e personale permanente. Queste soluzioni non contengono impurità tossiche. Idealmente, è solo acqua e fullerene. Inoltre, il fullerene è incorporato nella struttura multistrato naturale dell'acqua, dove il primo strato d'acqua è saldamente legato alla superficie del fullerene a causa delle interazioni donatore-accettore tra l'ossigeno dell'acqua e i centri accettori sulla superficie del fullerene.

Il complesso di una molecola così grande con l'acqua ha anche una notevole capacità tampone. Vicino alla sua superficie viene conservato il valore del pH = 7,2–7,6, lo stesso valore del pH si trova vicino alla superficie delle membrane della parte principale delle cellule sane del corpo. Molti processi di "malattia" cellulare sono accompagnati da una variazione del valore del pH vicino alla superficie della sua membrana. Allo stesso tempo, una cellula malata non solo crea condizioni scomode per se stessa, ma influisce negativamente anche sui suoi vicini. Il fullerene idratato, essendo vicino alla superficie cellulare, è in grado di mantenere il suo sano valore di pH. Pertanto, vengono create condizioni favorevoli affinché la cellula stessa possa far fronte alla sua malattia.

E la proprietà più notevole del fullerene idratato è la sua capacità di neutralizzare i radicali attivi. L'attività antiossidante del fullerene è 100-1000 volte superiore all'azione degli antiossidanti noti (ad esempio vitamina E, dibunolo, b-carotene). Inoltre, il fullerene idratato non sopprime il livello naturale di radicali liberi nell'organismo, ma diventa attivo solo quando la loro concentrazione aumenta. E più radicali liberi si formano nel corpo, più il fullerene idratato attivamente li neutralizza. Il meccanismo di azione antiossidante del fullerene è fondamentalmente diverso dall'azione dei noti antiossidanti utilizzati nella pratica. Pertanto, è necessaria una molecola di un antiossidante tradizionale per neutralizzare un radicale. E una molecola di fullerene idratato è in grado di neutralizzare un numero illimitato di radicali attivi. È una specie di catalizzatore antiossidante. Inoltre, la molecola del fullerene stessa non partecipa alla reazione, ma è solo un elemento strutturante del cluster d'acqua. ...

Già all'inizio del secolo scorso, l'accademico Vernadsky notò che la materia vivente è caratterizzata da un'elevata simmetria. A differenza del mondo inorganico, molti organismi hanno un asse di simmetria quintuplice. Fullerene C60 ha 6 assi del quinto ordine, è l'unica molecola in natura con una simmetria così unica. Già prima della scoperta dei fullereni, le strutture molecolari di alcune proteine ​​erano note sotto forma di fullerene e alcuni virus e altre strutture biologiche vitali (ad esempio) hanno strutture simili. È interessante abbinare la molecola del fullerene e il suo cluster minimo struttura secondaria del DNA. Quindi la dimensione della molecola C60 corrisponde alla distanza tra tre coppie di basi complementari nel DNA, le cosiddette. codone, che specifica le informazioni per la formazione di un amminoacido della proteina sintetizzata. La distanza tra le spire dell'elica del DNA è di 3,4 nm Il primo cluster sferico C60, costituito da 13 molecole di fullerene, ha le stesse dimensioni.

È noto che il carbonio, e in particolare la grafite e il carbonio amorfo, hanno la capacità di adsorbire sulla loro superficie le molecole più semplici, comprese quelle che potrebbero essere un materiale per la formazione di molecole biologicamente più complesse nel processo di formazione delle basi dell'abitare questione. Il fullerene, per le sue proprietà accettore, è in grado di interagire selettivamente con altre molecole, e nelle condizioni di un ambiente acquoso trasferisce queste proprietà a strati d'acqua ordinati a notevole distanza dalla sua superficie.

Esistono molte teorie sull'origine della vita dalla materia inorganica e le loro condizioni principali sono fattori come

1. Concentrazione di molecole semplici (CO, NO, NH3, HCN, H2O, ecc.) in prossimità di siti attivi sui quali avvengono reazioni con la partecipazione di fonti energetiche esterne.
2. Complicazione delle molecole organiche formate a strutture ordinate polimeriche e primarie.
3. Formazione di strutture di ordine elevato.
4. Formazione di sistemi autoriproduttivi.

Sperimentalmente, creando le condizioni che esistevano sulla terra nel periodo prebiologico, è stata dimostrata la possibilità di osservare il primo fattore. La formazione di amminoacidi vitali e non importanti e di alcune basi nucleiche in queste condizioni è del tutto reale. Tuttavia, la probabilità di soddisfare tutte le condizioni per l'emergere della vita è praticamente zero. Ciò significa che deve esserci qualche altra condizione che consenta di implementare intenzionalmente il meccanismo di assemblaggio di elementi semplici, complicando e ordinando i composti organici risultanti al livello dell'aspetto della materia vivente. E questa condizione, a nostro avviso, è la presenza di una matrice. Questa matrice deve avere una composizione costante, avere un'elevata simmetria, interagire (ma non fortemente) con l'acqua, creare attorno a sé un ambiente simmetrico di altre molecole a notevole distanza, in grado di concentrare radicali attivi vicino alla sua superficie e contribuire alla loro neutralizzazione con la formazione di molecole organiche complesse, nel contempo proteggere le forme neutre dagli attacchi dei radicali attivi, formare strutture simili a loro e strutture simili dell'ambiente acquatico. E, soprattutto, il carbonio deve essere la matrice della vita del carbonio. E il fullerene nel suo stato idratato soddisfa tutti questi requisiti. E, molto probabilmente, il rappresentante principale e più stabile della famiglia dei fullereni C60. È del tutto possibile che l'emergere della vita non sia un atto primario, ma questo processo avvenga continuamente e in qualche modo influisca sullo sviluppo della vita, sulla verifica dell'esistente e sulla formazione delle sue nuove forme.

I fullereni esistono in natura ovunque ci sia carbonio e alte energie. Esistono vicino alle stelle di carbonio, nello spazio interstellare, in luoghi dove colpiscono i fulmini o vicino ai crateri dei vulcani, anche quando il gas viene bruciato in una stufa a gas domestica. I fullereni si trovano anche nei luoghi di accumulo di rocce di carbonio. Un posto speciale qui appartiene alle rocce di shungite della Carelia. Queste rocce contenenti fino al 90% di carbonio puro hanno circa 2 miliardi di anni. La natura della loro origine non è ancora chiara. Una delle ipotesi è la caduta di un grande meteorite di carbonio. IN shungite I fullereni naturali sono stati scoperti per la prima volta. Siamo anche riusciti a estrarre e identificare il fullerene C60 nella shungite.

Fin dai tempi di Pietro I, c'era una sorgente curativa in Carelia " Acque marziali". Per molti anni nessuno ha potuto finalmente spiegare il motivo delle proprietà curative di questa fonte. Si presumeva che l'aumento del contenuto di ferro fosse la causa dell'effetto curativo. Tuttavia, ci sono molte fonti contenenti ferro sulla terra e, di regola, nessun effetto terapeutico. Solo dopo la scoperta dei fullereni nelle rocce di shungite attraverso cui scorre la sorgente, è emersa l'ipotesi che il fullerene sia l'ultimo effetto curativo delle acque marziali. ma proprietà medicinali Quest'acqua, come l'acqua sciolta, non dura molto a lungo. Non può essere imbottigliato e utilizzato secondo necessità. Il giorno dopo perde le sue proprietà. L'acqua marziale, essendo passata attraverso la roccia contenente fullereni e strutture simili a fullereni, si "satura" solo della struttura che la roccia le conferisce. E durante lo stoccaggio, questi grappoli vivificanti si disintegrano. Il fullerene non entra spontaneamente nell'acqua e, quindi, non esiste un elemento strutturante in grado di mantenere a lungo ordinati ammassi d'acqua, e, quindi, tale acqua acquisisce rapidamente le proprietà dell'acqua ordinaria. Inoltre, gli ioni presenti in esso stessi riorganizzano la struttura nativa dell'acqua, creando i propri ammassi di idrati.

Dopo aver ricevuto soluzioni colloidali molecolari di fullereni in acqua, abbiamo cercato di riprodurre in laboratorio l'essenza delle acque marziali. Ma per questo, hanno preso acqua ad alta purezza e hanno aggiunto una soluzione acquosa di fullereni in una dose omeopatica. Successivamente, hanno iniziato a condurre test biologici su vari modelli. I risultati sono stati sorprendenti. In quasi tutti i modelli di patologia troviamo un effetto biologico positivo. Gli esperimenti vanno avanti da più di 10 anni. Con un esperimento ben posizionato, qualsiasi cambiamento patologico in un organismo vivente cerca quasi sempre di tornare alla normalità. Ma questo non è un farmaco ad azione mirata e non un composto chimico alieno, ma solo una palla di carbonio disciolta nell'acqua. Inoltre si ha l'impressione che il fullerene idratato tenda a portare in " condizione normale"tutti i cambiamenti nel corpo, alle strutture che ha generato come matrice nel processo di nascita della vita.

Fullerene, buckyball, o buckyball- un composto molecolare appartenente alla classe delle forme allotropiche del carbonio e rappresentante dei poliedri chiusi convessi composti da un numero pari di atomi di carbonio a tre coordinate. I Fullerenes devono il loro nome all'ingegnere e architetto Richard Buckminster Fuller, le cui strutture geodetiche sono costruite su questo principio. Inizialmente, questa classe di giunti era limitata a strutture contenenti solo facce pentagonali ed esagonali. Si noti che per l'esistenza di un tale poliedro chiuso costruito da n vertici che formano solo facce pentagonali ed esagonali, secondo il teorema di Eulero per i poliedri, che afferma la validità dell'uguaglianza | n | − | e | + | f | = 2 (\displaystyle |n|-|e|+|f|=2)(dove | n | , | e | (\displaystyle |n|,|e|) e | f | (\displaystyle |f|) rispettivamente il numero di vertici, spigoli e facce), condizione necessaria è la presenza di esattamente 12 facce pentagonali e n / 2 - 10 (\ displaystyle n/2-10) bordi esagonali. Se la molecola di fullerene, oltre agli atomi di carbonio, include atomi di altri elementi chimici, se gli atomi di altri elementi chimici si trovano all'interno della gabbia di carbonio, tali fullereni sono chiamati endoedrici, se esterni - esoedrici.

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✪ Bill Joy: Di cosa "sono preoccupato, di cosa sono" eccitato

✪ 12 * L "homme qui empoisonna l" Humanité en voulant la sauver

Sottotitoli

Traduttore: Marina Gavrilova Editore: Ahmet Yükseltürk Quali tecnologie possiamo utilizzare realisticamente per ridurre la povertà globale? Quello che ho capito è stato del tutto inaspettato. Abbiamo iniziato a esaminare cose come il tasso di mortalità nel ventesimo secolo e come le cose sono migliorate da allora, e sono emerse alcune cose molto interessanti e semplici. Può sembrare che gli antibiotici, piuttosto che l'acqua pura, abbiano giocato un ruolo decisivo, ma in realtà è vero il contrario. E cose molto semplici, tecnologie standard che erano facili da trovare agli albori di Internet, potevano cambiare radicalmente questo problema. Ma guardando a tecnologie più potenti come la nanotecnologia e l'ingegneria genetica e altre tecnologie digitali emergenti, mi sono preoccupato del potenziale abuso in queste aree. Pensateci, perché nella storia, tanti anni fa, ci siamo occupati dello sfruttamento dell'uomo sull'uomo. Poi abbiamo escogitato dieci comandamenti: Non uccidere. È una specie di decisione personale. I nostri insediamenti iniziarono a organizzarsi in città. La popolazione è aumentata. E per proteggere l'individuo dalla tirannia della folla, abbiamo escogitato concetti come la libertà dell'individuo. Quindi, per trattare con grandi gruppi, diciamo, a livello statale, sia come risultato di patti reciproci di non aggressione, sia come risultato di una serie di conflitti, siamo giunti alla fine a una sorta di accordo transattivo per mantenere la pace. Ma oggi la situazione è cambiata, questa è quella che la gente chiama una situazione asimmetrica, quando le tecnologie sono diventate così potenti da superare già i confini dello stato. Non sono più gli stati, ma gli individui che hanno un potenziale accesso alle armi di distruzione di massa. E questa è una conseguenza del fatto che queste nuove tecnologie sono solitamente digitali. Abbiamo visto tutti sequenze genomiche. Se lo si desidera, chiunque può scaricare da Internet le sequenze geniche dei microrganismi patogeni. Se ti va, ho letto di recente su una rivista scientifica che il ceppo influenzale del 1918 è troppo pericoloso per essere spedito. E se qualcuno ha bisogno di usarlo nella ricerca di laboratorio, si suggerisce semplicemente di decodificarlo per non mettere in pericolo la posta. Tali opportunità esistono certamente. Pertanto, piccoli gruppi di persone che hanno accesso a questo tipo di tecnologie autoreplicanti, siano esse biologiche o di altro tipo, rappresentano un chiaro pericolo. E il pericolo è che possano, in effetti, creare una pandemia. E non abbiamo una vera esperienza con le pandemie, e inoltre, come società, non siamo molto bravi ad affrontare cose sconosciute. Adottare misure preventive non è nella nostra natura. E in questo caso, la tecnologia non risolve il problema, perché apre solo più opportunità per le persone. Russell, Einstein e altri, discutendo di questo in modo molto più serio, penso all'inizio del XX secolo, giunsero alla conclusione che la decisione dovrebbe essere presa non solo dalla testa, ma anche dal cuore. Prendi, ad esempio, le discussioni aperte e il progresso morale. Il vantaggio che ci dà la civiltà è la capacità di non usare la forza. I nostri diritti nella società sono protetti principalmente attraverso misure legali. Per limitare il pericolo di queste novità, è necessario limitare l'accesso degli individui alle fonti che creano pandemie. Abbiamo anche bisogno di difese significative, perché le azioni dei pazzi possono essere imprevedibili. E la cosa più fastidiosa è che fare qualcosa di brutto è molto più facile che sviluppare una difesa in tutte le situazioni possibili; quindi l'autore ha sempre un vantaggio asimmetrico. Questi sono i pensieri che ho pensato nel 1999 e nel 2000; i miei amici hanno visto che ero depresso e preoccupato per me. Poi ho firmato un contratto per scrivere un libro in cui intendevo esprimere i miei pensieri cupi, e mi sono trasferito in una stanza d'albergo a New York con una stanza piena di libri sulla peste e sui bombardamenti nucleari a New York; ha creato un'atmosfera, in una parola. E io ero lì l'11 settembre, in piedi per strada con tutti. Stava accadendo qualcosa di incredibile. La mattina dopo mi sono alzato e ho lasciato la città, tutti i camion delle pulizie erano parcheggiati in Houston Street, pronti a sgomberare le macerie. Ho camminato in mezzo alla strada, fino alla stazione ferroviaria; tutto al di sotto della 14th Street è stato bloccato. Era incredibile, ma non per chi aveva una stanza piena di libri. È stato sorprendente che sia successo lì e lì, ma non sorprende che sia successo in primo luogo. Tutti poi hanno iniziato a scriverne. Migliaia di persone hanno iniziato a scriverne. E alla fine ho rifiutato il libro, e poi Chris mi ha chiamato con un'offerta per parlare a una conferenza. Non ne parlo più, perché senza di essa succedono già abbastanza cose deprimenti. Ma ho accettato di venire e dire qualche parola a riguardo. E direi che non dovremmo abbandonare lo stato di diritto nell'affrontare le minacce asimmetriche, cosa che le persone al potere sembrano fare in questo momento, perché ciò equivale ad abbandonare la civiltà. E non possiamo combattere la minaccia nel modo stupido che facciamo, perché un'azione da un milione di dollari provoca un danno da un miliardo di dollari e una reazione da trilioni di dollari che è inefficace e quasi certamente esacerba il problema. Non puoi combattere qualcosa se il costo è da un milione a uno e le possibilità di successo sono da una a un milione. Dopo aver rifiutato il libro circa un anno fa, ho avuto il privilegio di unirmi a Kleiner Perkins e mi è stata data l'opportunità di lavorare sull'innovazione attraverso il capitale di rischio, cercando di trovare innovazioni che potessero essere utilizzate per risolvere problemi importanti. In queste cose, una differenza di dieci volte può comportare un guadagno di mille volte. L'anno scorso sono rimasto sbalordito dall'incredibile qualità e dallo slancio dell'innovazione che è passato attraverso le mie mani. A volte era semplicemente mozzafiato. Sono molto grato a Google e Wikipedia per il fatto che ho potuto capire almeno un po' di ciò di cui le persone stavano parlando. Vorrei parlarvi di tre aree che mi danno una speranza speciale riguardo ai problemi di cui ho scritto in un articolo sulla rivista Wired. La prima area è l'istruzione in generale e, in sostanza, si riferisce a ciò che Nicholas (Nicholas Negroponte) ha detto sui computer da 100 dollari. La legge di Moore è tutt'altro che esaurita. I transistor più avanzati oggi sono 65 nanometri e ho felicemente investito in aziende che mi danno grande fiducia che la legge di Moore funzionerà fino a circa 10 nanometri. Un'altra riduzione delle dimensioni, diciamo, di un fattore 6, dovrebbe migliorare le prestazioni dei chip di un fattore 100. Quindi, in termini pratici, se qualcosa costa circa $ 1.000 oggi, diciamo il miglior personal computer che puoi acquistare, allora il suo costo nel 2020, penso, potrebbe essere di $ 10. Non male? Immagina quanto costerà quel computer da $ 100 nel 2020 come strumento di apprendimento. Penso che il nostro compito sia -- e sono sicuro che lo sarà, sviluppare il tipo di ausili didattici e reti che ci permetterebbero di usare questo dispositivo. Sono convinto che abbiamo incredibili computer potenti, ma non abbiamo un buon software per loro. Ed è solo dopo un po' che esce un software migliore che lo esegui su una macchina di 10 anni e dici: "Dio, quella macchina era in grado di funzionare così velocemente?" Ricordo quando l'interfaccia Apple Mac è stata ripristinata sull'Apple II. L'Apple II ha funzionato alla grande con questa interfaccia, semplicemente non sapevamo come farlo in quel momento. Sulla base del fatto che la legge di Moore ha funzionato per 40 anni, si può presumere che sarà così. Allora sappiamo come saranno i computer nel 2020. È fantastico che abbiamo iniziative per educare e illuminare le persone in tutto il mondo, perché questo è il grande potere del mondo. E possiamo fornire a tutti nel mondo un computer da $ 100 o un computer da $ 10 entro i prossimi 15 anni. La seconda area su cui mi concentro è il problema dell'ecologia, perché ha un forte impatto sul mondo intero. Al Gore ti dirà presto di più su questo. Ci sembra che ci sia una sorta di tendenza della legge di Moore, secondo la quale i nuovi materiali sono la forza trainante del progresso nel campo dell'ecologia. Abbiamo un compito difficile davanti a noi perché popolazione urbana è salito in questo secolo da 2 a 6 miliardi in brevissimo tempo. Le persone si stanno trasferendo nelle città. Tutti hanno bisogno di acqua pulita, energia, mezzi di trasporto e vogliamo sviluppare le città lungo un percorso verde. I settori industriali sono abbastanza efficienti. Abbiamo apportato miglioramenti nell'efficienza energetica e delle risorse, ma il settore dei consumi, soprattutto in America, è molto inefficiente. I nuovi materiali portano un'innovazione così incredibile che ci sono buone ragioni per sperare che saranno abbastanza redditizi da arrivare sul mercato. Voglio fare un esempio specifico di nuovo materiale scoperto 15 anni fa. Questi sono nanotubi di carbonio che Iijima ha scoperto nel 1991 e hanno proprietà incredibili. Queste sono le cose che scopriamo quando iniziamo a progettare a livello nano. La loro forza sta nel fatto che è praticamente il materiale più resistente, il più resistente allo stiramento conosciuto. Sono molto, molto rigidi e hanno pochissimo allungamento. In due dimensioni, ad esempio, se sono trasformati in tessuto, sarà 30 volte più resistente del Kevlar. E se crei una struttura tridimensionale, come un buckyball, avrà proprietà incredibili. Se lo bombardi con particelle e ci fai un buco, si riparerà da solo, lo riparerà rapidamente, entro femtosecondi, il che non è... molto rapidamente. (Risate) Se lo accendi, genera elettricità. Il flash fotografico potrebbe provocarne l'accensione. Quando è elettrizzato, emette luce. Attraverso di essa può passare una corrente mille volte superiore che attraverso un pezzo di metallo. Possono essere trasformati in semiconduttori di tipo p e n, il che significa che possono essere trasformati in transistor. Conducono il calore lungo la lunghezza, ma non attraverso - non si può parlare di spessore qui, solo della direzione trasversale - se li metti uno sopra l'altro; questa è anche una proprietà della fibra di carbonio. Se ci metti dentro delle particelle e le spari, si comportano come acceleratori lineari in miniatura o cannoni elettronici. L'interno di un nanotubo è così piccolo - il più piccolo è 0,7 nm - che, in sostanza, è già un mondo quantistico. Questo strano spazio è all'interno del nanotubo. Quindi stiamo iniziando a capire, e ci sono già piani aziendali in atto, cose di cui parla Lisa Randel. Avevo un piano aziendale in cui cercavo di saperne di più sulle stringhe Witten di misurazioni cosmiche per cercare di capire cosa stesse succedendo nel nanomateriale proposto. Quindi siamo davvero già al limite all'interno del nanotubo. Cioè, vediamo che è possibile creare cose con proprietà diverse da questi e altri nuovi materiali - leggeri e resistenti - e utilizzare questi nuovi materiali per risolvere i problemi ambientali. Nuovi materiali che possono creare acqua, nuovi materiali che possono far funzionare meglio le celle a combustibile, nuovi materiali che catalizzano reazioni chimiche che riducono l'inquinamento. ambiente eccetera. Etanolo: nuovi modi di produrre etanolo. Nuovi modi di costruire il trasporto elettrico. Sogno ad occhi aperti, perché può essere benefico. E abbiamo investito -- abbiamo recentemente avviato un nuovo fondo, abbiamo investito 100 milioni di dollari in questo tipo di investimento. Crediamo che Genentech, Compaq, Lotus, Sun, Netscape, Amazon e Google appariranno in queste aree perché questa rivoluzione dei materiali guiderà il progresso. La terza area su cui stiamo lavorando, che abbiamo appena annunciato la scorsa settimana a New York. Abbiamo istituito un fondo speciale di 200 milioni di dollari per sviluppare la biosicurezza contro le pandemie. E per darti un'idea, l'ultimo fondo fondato da Kleiner ha un valore di 400 milioni di dollari, quindi è un fondo molto consistente per lui. Quello che abbiamo fatto negli ultimi mesi: alcuni mesi fa, Ray Kurzweil e io abbiamo scritto un editoriale sul New York Times su quanto fosse pericolosa la pubblicazione del genoma dell'influenza del 1918. John Derr, Brooke e altri si sono preoccupati per questo [non chiaro] e abbiamo iniziato a studiare come il mondo si stava preparando per una pandemia. Abbiamo visto molte lacune. Ci siamo chiesti se è possibile trovare innovazioni del genere in grado di colmare queste lacune? E Brooks mi ha detto all'intervallo che ha trovato così tante cose, così tanta eccitazione che non riesce a dormire, così tante grandi tecnologie, che possiamo semplicemente scavarci dentro. Abbiamo bisogno di loro, lo sai. Abbiamo un antivirale in riserva; dicono che funziona ancora. Questo è il Tamiflu. Tuttavia, il virus Tamiflu è resistente. È resistente al Tamiflu. Dall'esperienza con l'AIDS, vediamo che i cocktail funzionano bene, cioè sono necessari diversi farmaci per la resistenza virale. Abbiamo bisogno di ricercare questo più a fondo. Abbiamo bisogno di gruppi in grado di capire cosa sta succedendo. Abbiamo bisogno di una diagnostica rapida per poter identificare un ceppo di influenza che è stato scoperto solo di recente. È necessario essere in grado di eseguire rapidamente la diagnostica rapida. Abbiamo bisogno di nuovi farmaci e cocktail antivirali. Abbiamo bisogno di nuovi tipi di vaccini. Vaccini ad ampio spettro. Vaccini che possono essere prodotti rapidamente. Cocktail, vaccini più potenti. Il vaccino convenzionale funziona contro 3 possibili ceppi. Non sappiamo quale sia attivo. Crediamo che se potessimo colmare queste 10 lacune, saremmo in grado di ridurre effettivamente il rischio di una pandemia. La normale influenza stagionale e la pandemia sono in un rapporto di 1:1000 in termini di deceduti e, naturalmente, l'impatto sull'economia è enorme. Quindi siamo molto entusiasti perché pensiamo di poter finanziare 10, o almeno accelerare 10 progetti e vederli entrare sul mercato nei prossimi due anni. Quindi, se con l'aiuto della tecnologia possiamo aiutare a risolvere i problemi formazione scolastica , ambiente, nella lotta alle pandemie, questo risolverà il problema più ampio di cui ho discusso sulla rivista Wired? Temo che la risposta sia davvero no, perché è impossibile risolvere il problema della gestione della tecnologia con la stessa tecnologia. Se la potenza illimitata viene lasciata liberamente disponibile, un numero molto ristretto di persone sarà in grado di utilizzarla per i propri scopi. Non puoi combattere quando le probabilità sono un milione a uno. Ciò di cui abbiamo bisogno sono leggi più efficaci. Ad esempio, quello che possiamo fare, cosa che non è ancora nell'aria politica, ma forse con un cambio di amministrazione lo sarà - è l'uso dei mercati. I mercati sono una forza molto potente. Ad esempio, invece di cercare di regolare i problemi, che probabilmente non funzioneranno, se potessimo mettere il costo di una catastrofe nel costo di fare affari, in modo che le persone che lavorano nel business ad alto rischio possano proteggersi. rischio. Ad esempio, puoi usarlo per commercializzare un farmaco. Non dovrà essere approvato dalle autorità di regolamentazione; ma dovrai convincere la compagnia di assicurazioni che è sicuro. E se applichi il concetto di assicurazione su una scala più ampia, puoi utilizzare una forza più potente, il potere del mercato, per fornire un feedback. Come si può applicare tale legislazione? Penso che tale legislazione dovrebbe essere sostenuta. Le persone devono essere ritenute responsabili. La legge richiede responsabilità. Ad oggi, scienziati, tecnologi, uomini d'affari, ingegneri non sono personalmente responsabili delle conseguenze delle loro azioni. Se fai qualcosa, devi farlo in conformità con la legge. E infine, penso che dovremmo fare - è quasi impossibile dirlo - dovremmo iniziare a progettare il futuro. Non possiamo scegliere il futuro, ma possiamo cambiarne la direzione. Il nostro investimento nel tentativo di prevenire le pandemie influenzali influisce sulla distribuzione dei possibili esiti. Potremmo non essere in grado di fermare la pandemia, ma è meno probabile che rimarremo inalterati se ci concentriamo su questo problema. In questo modo, possiamo progettare il futuro scegliendo ciò che vogliamo che accada e prevenendo ciò che non vogliamo, e indirizzando lo sviluppo verso un luogo con meno rischi. Il vicepresidente Gore parlerà di come potremmo dirigere la traiettoria climatica verso un'area con una bassa probabilità di catastrofe. Ma la cosa più importante che dobbiamo fare è aiutare i bravi ragazzi, le persone in difesa, ad avere un vantaggio sulle persone che possono trarre vantaggio dalla situazione. E quello che dobbiamo fare è limitare l'accesso a determinate informazioni. Dati i valori con cui siamo cresciuti, l'alto valore che attribuiamo alla libertà di parola è difficile da accettare: è difficile da accettare per tutti noi. Ciò è particolarmente difficile per gli scienziati che ricordano la persecuzione a cui fu sottoposto Galileo, ma che comunque combatté contro la chiesa. Ma questo è il prezzo della civiltà. Il prezzo per preservare la legge è limitare l'accesso al potere illimitato. Grazie per l'attenzione. (Applausi)

Storia della scoperta

Fullereni in natura

Dopo essere state ottenute in condizioni di laboratorio, molecole di carbonio sono state trovate in alcuni campioni di shungite della Carelia settentrionale negli Stati Uniti e in fulguriti, meteoriti e sedimenti di fondo indiani, che hanno fino a 65 milioni di anni.

I fullereni sono stati trovati anche in grandi quantità nello spazio: nel 2010 sotto forma di gas, nel 2012 - in forma solida.

Proprietà strutturali

La formazione molecolare del carbonio sotto forma di un icosaedro troncato ha una massa di 720 amu. em Nelle molecole di fullerene, gli atomi di carbonio si trovano ai vertici di esagoni e pentagoni, che costituiscono la superficie di una sfera o di un ellissoide. Il rappresentante più simmetrico e più studiato della famiglia dei fullereni è il fullerene (C 60), in cui gli atomi di carbonio formano un tronco icosaedro costituito da 20 esagoni e 12 pentagoni e somigliante a un pallone da calcio (come forma ideale, estremamente rara in natura) . Poiché ogni atomo di carbonio del fullerene C 60 appartiene contemporaneamente a due esagoni e un pentagono, tutti gli atomi in C 60 sono equivalenti, il che è confermato dallo spettro di risonanza magnetica nucleare (NMR) dell'isotopo 13 C: contiene solo una riga. Tuttavia, non tutti i legami CC hanno la stessa lunghezza. Il legame C=C, che è un lato comune per due esagoni, è 1,39 Å, e il legame CC, che è comune per un esagono e un pentagono, è più lungo e uguale a 1,44 Å. Inoltre, il legame del primo tipo è doppio e il secondo è singolo, essenziale per la chimica del fullerene C 60. Infatti, lo studio delle proprietà dei fullereni ottenuti in grandi quantità mostra la distribuzione delle loro proprietà oggettive (attività chimiche e di assorbimento) in 4 isomeri stabili del fullerene, liberamente determinati da diversi tempi di uscita dalla colonna di assorbimento di un cromatografo liquido ad alta risoluzione . In questo caso, la massa atomica di tutti e 4 gli isomeri è equivalente: ha una massa di 720 amu. mangiare.

Il successivo più comune è il fullerene C 70, che si differenzia dal fullerene C 60 inserendo una cintura di 10 atomi di carbonio nella regione equatoriale C 60, per cui la molecola 34 è allungata e nella sua forma ricorda un pallone da rugby .

Così chiamato fullereni superiori, contenenti un numero maggiore di atomi di carbonio (fino a 400), si formano in quantità molto minori e spesso hanno una composizione isomerica piuttosto complessa. Tra i fullereni superiori più studiati si può individuare C n , n=74, 76, 78, 80, 82 e 84.

Sintesi

I primi fullereni sono stati isolati da vapori di grafite condensati ottenuti mediante irraggiamento laser di campioni di grafite solida. In realtà, erano tracce della sostanza. Il passo successivo importante è stato compiuto nel 1990 da W. Kretchmer, Lamb, D. Huffman e altri, che hanno sviluppato un metodo per ottenere quantità di grammi di fullereni bruciando elettrodi di grafite in un arco elettrico in un'atmosfera di elio a basse pressioni. Nel processo di erosione anodica, fuliggine contenente una certa quantità di fullereni si è depositata sulle pareti della camera. La fuliggine viene disciolta in benzene o toluene e quantità in grammi di molecole C 60 e C 70 vengono isolate in forma pura dalla soluzione risultante in un rapporto di 3: 1 e circa il 2% di fullereni più pesanti. Successivamente, è stato possibile trovare parametri ottimali evaporazione dell'elettrodo (pressione, composizione atmosferica, corrente, diametro dell'elettrodo), alla quale si ottiene la massima resa di fullereni, con una media del 3-12% del materiale dell'anodo, che determina in definitiva l'alto costo dei fullereni.

All'inizio, tutti i tentativi degli sperimentatori di trovare modi più economici e produttivi per ottenere quantità di grammi di fullereni (combustione di idrocarburi in una fiamma, sintesi chimica, ecc.) non hanno portato al successo e il metodo "arco" è rimasto il più produttivo per lungo tempo (la produttività è di circa 1 g/h). Successivamente, la Mitsubishi riuscì a stabilire la produzione industriale di fullereni bruciando idrocarburi, ma tali fullereni contengono ossigeno, e quindi il metodo dell'arco è ancora l'unico metodo adatto per ottenere fullereni puri.

Il meccanismo di formazione del fullerene nell'arco rimane ancora poco chiaro, poiché i processi che si verificano nella regione di combustione dell'arco sono termodinamicamente instabili, il che complica notevolmente la loro considerazione teorica. È stato inconfutabilmente stabilito solo che il fullerene è assemblato da singoli atomi di carbonio (o frammenti di C 2). Per la prova, come elettrodo dell'anodo è stata utilizzata grafite 13 C altamente purificata, l'altro elettrodo era costituito da grafite 12 C. Dopo l'estrazione dei fullereni, è stato dimostrato dall'NMR che gli atomi 12 C e 13 C si trovano casualmente sul superficie fullerenica. Ciò indica il decadimento del materiale di grafite in singoli atomi o frammenti del livello atomico e il loro successivo assemblaggio in una molecola di fullerene. Questa circostanza ci ha costretto ad abbandonare l'immagine visiva della formazione di fullereni a seguito della piegatura degli strati di grafite atomica in sfere chiuse.

Un aumento relativamente rapido del numero totale di impianti per la produzione di fullereni e il costante lavoro per migliorare i metodi per la loro purificazione hanno portato a una significativa riduzione del costo del C 60 negli ultimi 17 anni - da 10 mila a 10-15 dollari per grammo, che li ha portati al confine del loro reale uso industriale. .

Purtroppo, nonostante l'ottimizzazione del metodo Huffman-Kretchmer (HK), non è possibile aumentare la resa dei fullereni di oltre il 10-20% della massa totale di grafite bruciata. A causa del costo relativamente alto del prodotto iniziale, la grafite, questo metodo presenta dei limiti fondamentali. Molti ricercatori ritengono che non sarà possibile ridurre il costo dei fullereni ottenuti con il metodo XC al di sotto di pochi dollari al grammo. Pertanto, gli sforzi di un certo numero di gruppi di ricerca sono volti a trovare metodi alternativi per ottenere fullereni. In questo settore ottenne il maggior successo l'azienda Mitsubishi, che riuscì a stabilire la produzione industriale di fullereni bruciando idrocarburi in una fiamma. Il costo di tali fullereni è di circa $ 5/grammo (2005), il che non ha alcun effetto sul costo dei fullereni ad arco elettrico.

Va notato che l'alto costo dei fullereni è determinato non solo dalla loro bassa resa durante la combustione della grafite, ma anche dalla complessità dell'isolamento, della purificazione e della separazione dei fullereni di varie masse dal nerofumo. L'approccio usuale è il seguente: la fuliggine ottenuta bruciando grafite viene miscelata con toluene o altro solvente organico (in grado di dissolvere efficacemente i fullereni), quindi la miscela viene filtrata o centrifugata e la soluzione rimanente viene evaporata. Dopo aver rimosso il solvente, rimane un precipitato fine-cristallino scuro - una miscela di fullereni, solitamente chiamata fullerite. La composizione della fullerite comprende varie formazioni cristalline: piccoli cristalli di molecole C 60 e C 70 e cristalli C 60 /C 70 sono soluzioni solide. Inoltre, la fullerite contiene sempre una piccola quantità di fullereni superiori (fino al 3%). La separazione di una miscela di fullereni in singole frazioni molecolari viene effettuata mediante cromatografia liquida su colonne e cromatografia liquida alta pressione(HPLC). Quest'ultimo viene utilizzato principalmente per analizzare la purezza dei fullereni isolati, poiché la sensibilità analitica del metodo HPLC è molto elevata (fino allo 0,01%). Infine, l'ultima fase è la rimozione dei residui di solvente dal campione di fullerene solido. Si effettua mantenendo il campione ad una temperatura di 150-250 °C in condizioni di vuoto dinamico (circa 0,1 Torr).

Proprietà fisiche e valore applicato

Fulleriti

I sistemi condensati costituiti da molecole di fullerene sono chiamati fulleriti. Il sistema più studiato di questo tipo è il cristallo C 60, meno - il sistema cristallino C 70. Gli studi sui cristalli di fullereni superiori sono ostacolati dalla complessità della loro preparazione.

Gli atomi di carbonio in una molecola di fullerene sono legati da legami σ e π, mentre non esiste alcun legame chimico (nel senso comune della parola) tra le singole molecole di fullerene in un cristallo. Pertanto, in un sistema condensato, le singole molecole mantengono la loro individualità (che è importante quando si considera la struttura elettronica di un cristallo). Le molecole sono trattenute nel cristallo dalle forze di  van der Waals, determinando in larga misura le proprietà macroscopiche del solido C 60 .

A temperatura ambiente, il cristallo C 60 ha un reticolo cubico a facce centrate (fcc) con una costante di 1.415 nm, ma al diminuire della temperatura si verifica una transizione di fase del primo ordine (T cr ≈ 260) e il cristallo C 60 cambia la sua struttura ad una cubica semplice (costante reticolare 1.411 nm). A una temperatura T > Tcr, le molecole di C 60 ruotano in modo casuale attorno al loro centro di equilibrio e quando scende a una temperatura critica, i due assi di rotazione sono congelati. Il congelamento completo delle rotazioni avviene a 165 K. La struttura cristallina di C 70 a temperature dell'ordine della temperatura ambiente è stata studiata in dettaglio nel lavoro. Come segue dai risultati di questo lavoro, i cristalli di questo tipo hanno un reticolo centrato sul corpo (bcc) con una piccola mescolanza della fase esagonale.

Proprietà ottiche non lineari

Un'analisi della struttura elettronica dei fullereni mostra la presenza di sistemi π-elettronici, per i quali esistono grandi valori di suscettibilità non lineare. I fullereni hanno infatti proprietà ottiche non lineari. Tuttavia, a causa dell'elevata simmetria della molecola C 60, la generazione della seconda armonica è possibile solo quando l'asimmetria viene introdotta nel sistema (ad esempio, da un campo elettrico esterno). Da un punto di vista pratico, l'alta velocità (~250 ps), che determina la soppressione della generazione di seconda armonica, è interessante. Inoltre, i fullereni C 60 sono anche in grado di generare la terza armonica.

Un'altra possibile area per l'uso dei fullereni e, prima di tutto, C 60 sono gli otturatori ottici. La possibilità di utilizzare questo materiale per una lunghezza d'onda di 532 nm è stata dimostrata sperimentalmente. Il breve tempo di risposta consente di utilizzare i fullereni come limitatori di radiazione laser e Q-switch. Tuttavia, per una serie di ragioni, è difficile per i fullereni competere qui con i materiali tradizionali. Il costo elevato, le difficoltà nel disperdere i fullereni nei vetri, la capacità di ossidarsi rapidamente nell'aria, i coefficienti di suscettibilità non lineare non record e un'elevata soglia per limitare le radiazioni ottiche (non adatte alla protezione degli occhi) creano serie difficoltà nella lotta contro i materiali concorrenti .

Meccanica quantistica e fullerene

Fullerene idrato (HyFn); (C 60 (H 2 O) n)

Il fullerene HyFn C 60 - C 60 idratato è un complesso supramolecolare forte e idrofilo costituito da una molecola di fullerene C 60 racchiusa nel primo guscio di idratazione, che contiene 24 molecole d'acqua: C 60 @(H 2 O) 24 . Il guscio di idratazione si forma a causa dell'interazione donatore-accettore di coppie solitarie elettroni di molecole di ossigeno dell'acqua con centri di accettore di elettroni sulla superficie del fullerene. Allo stesso tempo, le molecole d'acqua orientate vicino alla superficie del fullerene sono interconnesse da una rete volumetrica di legami idrogeno. La dimensione di C 60 HyFn corrisponde a 1,6-1,8 nm. Attualmente la concentrazione massima di C 60 , sotto forma di C 60 HyFn, che si è creata in acqua è pari a 4 mg/ml. [ controlla il collegamento] Foto di una soluzione acquosa di C 60 HyFn con una concentrazione di C 60 0,22 mg/ml a destra.

Fullerene come materiale per la tecnologia dei semiconduttori

Un cristallo molecolare di fullerene è un semiconduttore con un intervallo di banda di ~ 1,5 eV e le sue proprietà sono in gran parte simili a quelle di altri semiconduttori. Pertanto, numerosi studi sono stati correlati all'uso dei fullereni come nuovo materiale per le applicazioni tradizionali in elettronica: un diodo, un transistor, una fotocellula, ecc. Qui, il loro vantaggio rispetto al silicio tradizionale è un breve tempo di fotorisposta (unità di ns). Tuttavia, l'effetto dell'ossigeno sulla conducibilità dei film di fullerene si è rivelato un inconveniente significativo e, di conseguenza, è emersa la necessità di rivestimenti protettivi. In questo senso, è più promettente utilizzare la molecola del fullerene come dispositivo indipendente su scala nanometrica e, in particolare, come elemento di amplificazione.

Fullerene come fotoresist

Sotto l'azione della radiazione visibile (> 2 eV), ultravioletta e di lunghezza d'onda più corta, i fullereni polimerizzano e in questa forma non vengono disciolti dai solventi organici. Come illustrazione dell'uso di un fotoresist fullerene, si può fornire un esempio di ottenere una risoluzione submicronica (≈20 nm) incidendo il silicio con un fascio di elettroni usando una maschera di un film C 60 polimerizzato.

Additivi fullerenici per la crescita di film diamantati con il metodo CVD

Un'altra possibilità interessante applicazione praticaè l'uso di additivi fullerenici nella crescita di film di diamante mediante il metodo CVD (Chemical Vapor Deposition). L'introduzione dei fullereni nella fase gassosa è efficace da due punti di vista: un aumento della velocità di formazione dei nuclei diamantati sul substrato e la fornitura di blocchi costitutivi dalla fase gassosa al substrato. Frammenti di C 2 fungono da mattoni, che si sono rivelati un materiale adatto per la crescita di una pellicola di diamante. È stato dimostrato sperimentalmente che il tasso di crescita dei film diamantati raggiunge 0,6 μm/h, che è 5 volte superiore a quello senza l'uso di fullereni. Per una vera competizione tra diamanti e altri semiconduttori nella microelettronica, è necessario sviluppare un metodo per l'eteroepitassia dei film di diamante, ma la crescita di film monocristallini su substrati non diamantati rimane un problema irrisolvibile. Un possibile modo per risolvere questo problema è utilizzare uno strato tampone fullerene tra il substrato e la pellicola diamantata. Un prerequisito per la ricerca in questa direzione è la buona adesione dei fullereni alla maggior parte dei materiali. Queste disposizioni sono particolarmente rilevanti in relazione alla ricerca intensiva sui diamanti per il loro utilizzo nella microelettronica di prossima generazione. Alte prestazioni (alta velocità di deriva satura); La più alta conducibilità termica e resistenza chimica di qualsiasi materiale conosciuto rendono il diamante un materiale promettente per l'elettronica di prossima generazione.

Composti superconduttori con C 60

I cristalli molecolari di fullereni sono semiconduttori, tuttavia, all'inizio del 1991, si è scoperto che drogare il solido C 60 con una piccola quantità di metallo alcalino porta alla formazione di un materiale con conduttività metallica, che a basse temperature passa in un superconduttore. Il drogaggio con 60 viene prodotto trattando i cristalli con vapore metallico a temperature di diverse centinaia di gradi Celsius. In questo caso si forma una struttura del tipo X 3 C 60 (X è un atomo di metallo alcalino). Il potassio è stato il primo metallo ad essere intercalato. La transizione del composto K 3 C 60 allo stato superconduttore avviene a una temperatura di 19 K. Questo è un valore record per i superconduttori molecolari. Fu presto stabilito che molte fulleriti drogate con atomi di metalli alcalini nel rapporto di X 3 C 60 o XY 2 C 60 (X,Y sono atomi di metalli alcalini) hanno superconduttività. Il detentore del record tra i superconduttori ad alta temperatura (HTSC) di questi tipi era RbCs 2 C 60 - la sua T cr = 33 K.

Influenza di piccoli additivi di fuliggine di fullerene sulle proprietà antifrizione e antiusura del PTFE

Si noti che la presenza di fullerene C 60 nei lubrificanti minerali avvia la formazione di un film protettivo di fullerene-polimero dello spessore di 100 nm sulle superfici dei controcorpi. Il film formato protegge dal degrado termico e ossidativo, aumenta di 3-8 volte la durata delle unità di attrito in situazioni di emergenza, la stabilità termica dei lubrificanti fino a 400-500 ° C e la capacità portante delle unità di attrito di 2-3 volte, amplia di 1, 5-2 volte il campo di pressione di esercizio delle unità di attrito, riduce il tempo di rodaggio dei controcorpi.

Altre applicazioni

Altre applicazioni interessanti includono accumulatori e batterie elettriche, in cui gli additivi fullerene vengono utilizzati in un modo o nell'altro. Queste batterie sono basate su catodi al litio contenenti fullereni intercalati. I fullereni possono essere utilizzati anche come additivi per la produzione di diamanti artificiali utilizzando il metodo ad alta pressione. In questo caso, la resa dei diamanti aumenta del ≈30%.

Inoltre, i fullereni hanno trovato applicazione come additivi nelle vernici ignifughe intumescenti (intumescenti). A causa dell'introduzione dei fullereni, la vernice si gonfia sotto l'influenza della temperatura durante un incendio, si forma uno strato di schiuma di coke piuttosto denso, che aumenta più volte il tempo di riscaldamento alla temperatura critica delle strutture protette.

Inoltre, i fullereni e i loro vari derivati ​​chimici sono usati in combinazione con polimeri semiconduttori policoniugati per la produzione di celle solari.

Proprietà chimiche

I fullereni, nonostante l'assenza di atomi di idrogeno che possono essere sostituiti come nel caso dei composti aromatici convenzionali, possono comunque essere funzionalizzati con vari metodi chimici. Ad esempio, sono state applicate con successo reazioni per la funzionalizzazione dei fullereni come la reazione di Diels-Alder, la reazione di Prato e la reazione di Bingel. I fullereni possono anche essere idrogenati per formare prodotti da C 60 H 2 a C 60 H 50 .

significato medico

Antiossidanti

I fullereni sono gli antiossidanti più potenti conosciuti oggi. In media, superano l'effetto di tutti gli antiossidanti a loro noti di 100-1000 volte. Si presume che sia proprio per questo che sono in grado di prolungarsi in modo significativo durata media vita da topo

La scoperta dei fullereni - una nuova forma di esistenza di uno degli elementi più comuni sulla Terra - il carbonio, è riconosciuta come una delle scoperte più sorprendenti e importanti della scienza del XX secolo. Nonostante la capacità unica nota da tempo degli atomi di carbonio di legarsi in strutture molecolari complesse, spesso ramificate e voluminose, che è alla base di tutta la chimica organica, l'effettiva possibilità di formare molecole struttura stabili da un solo carbonio si è rivelata inaspettata. La conferma sperimentale che molecole di questo tipo, costituite da 60 o più atomi, possono sorgere nel corso di processi naturali in natura avvenuti nel 1985. E molto prima, alcuni autori ipotizzavano la stabilità delle molecole con una sfera di carbonio chiusa. Tuttavia, queste ipotesi erano puramente speculative, puramente teoriche. Era piuttosto difficile immaginare che tali composti potessero essere ottenuti mediante sintesi chimica. Pertanto, queste opere sono rimaste inosservate e l'attenzione è stata rivolta ad esse solo con il senno di poi, dopo la scoperta sperimentale dei fullereni. Una nuova fase è iniziata nel 1990, quando è stato trovato un metodo per ottenere nuovi composti in quantità di grammi ed è stato descritto un metodo per isolare i fullereni in forma pura. Subito dopo sono state determinate le più importanti caratteristiche strutturali e fisico-chimiche del fullerene C 60, il composto più facilmente formabile tra i fullereni conosciuti. Per la loro scoperta - la scoperta di cluster di carbonio di composizione C 60 e C 70 - R. Kerl, R. Smalley e G. Kroto nel 1996 hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica. Hanno proposto anche la struttura del fullerene C 60, nota a tutti gli appassionati di calcio.

Come sapete, il guscio di un pallone da calcio è composto da 12 pentagoni e 20 esagoni. In teoria, sono possibili 12.500 disposizioni di legami doppi e singoli. L'isomero più stabile (mostrato nella figura) ha una struttura icosaedrica troncata priva di doppi legami nei pentagoni. Questo isomero di C 60 è stato chiamato "Buckminsterfullerene" in onore del famoso architetto di nome R. Buckminster Fuller, che ha creato strutture la cui struttura a cupola è costituita da pentagoni ed esagoni. Ben presto fu proposta una struttura per il C 70, simile a un pallone da rugby (dalla forma allungata).

Nella struttura del carbonio, gli atomi di C sono caratterizzati dall'ibridazione sp 2, con ogni atomo di carbonio legato a tre atomi vicini. La valenza 4 è realizzata attraverso legami p tra ciascun atomo di carbonio e uno dei suoi vicini. Naturalmente, si presume che i legami p possano essere delocalizzati, come nei composti aromatici. Tali strutture possono essere costruite per n≥20 per qualsiasi cluster pari. Devono contenere 12 pentagoni e (n-20)/2 esagoni. Il più basso dei fullereni C 20 teoricamente possibili non è altro che un dodecaedro, uno dei cinque poliedri regolari, in cui ci sono 12 facce pentagonali e non ci sono affatto facce esagonali. Una molecola di tale forma avrebbe una struttura estremamente tesa, e quindi la sua esistenza è energeticamente sfavorevole.

Pertanto, in termini di stabilità, i fullereni possono essere suddivisi in due tipi. Il confine tra di loro ti consente di disegnare il cosiddetto. la regola dei pentagoni isolati (Isolated Pentagon Rule, IPR). Questa regola afferma che i fullereni più stabili sono quelli in cui nessuna coppia di pentagoni ha bordi adiacenti. In altre parole, i pentagoni non si toccano e ogni pentagono è circondato da cinque esagoni. Se i fullereni sono disposti in ordine di numero crescente di atomi di carbonio n, allora Buckminsterfullerene - C 60 è il primo rappresentante che soddisfa la regola dei pentagoni isolati e C 70 è il secondo. Tra le molecole di fullerene con n>70 c'è sempre un isomero soggetto a IPR e il numero di tali isomeri aumenta rapidamente con il numero degli atomi. Trovato 5 isomeri per C 78, 24 - per C 84 e 40 - per C 90. Gli isomeri che hanno pentagoni adiacenti nella loro struttura sono significativamente meno stabili.

Chimica dei fullereni

Attualmente, la parte preponderante della ricerca scientifica è legata alla chimica dei fullereni. Sono già stati sintetizzati più di 3mila nuovi composti a base di fullereni. Un così rapido sviluppo della chimica dei fullereni è associato alle caratteristiche strutturali di questa molecola e alla presenza un largo numero doppi legami coniugati su una sfera di carbonio chiusa. La combinazione del fullerene con rappresentanti di molte classi note di sostanze ha aperto la possibilità ai chimici di sintesi di ottenere numerosi derivati ​​di questo composto.

A differenza del benzene, dove lunghezza C-C i legami sono gli stessi, nei fullereni si possono distinguere legami di natura più "doppia" e più "singola", e i chimici spesso considerano i fullereni come sistemi polienici carenti di elettroni e non come molecole aromatiche. Se passiamo a С60, allora ci sono due tipi di legami al suo interno: legami più corti (1,39 Å) che corrono lungo i bordi comuni delle facce esagonali adiacenti e legami più lunghi (1,45 Å) situati lungo i bordi comuni delle facce pentagonali ed esagonali. Allo stesso tempo, né gli anelli a sei membri né, ancor più, a cinque membri, mostrano proprietà aromatiche nel senso in cui sono esibite dal benzene o da altre molecole coniugate planari che obbediscono alla regola di Hückel. Pertanto, di solito i legami più brevi in ​​C 60 sono considerati doppi, mentre quelli più lunghi sono singoli. Una delle caratteristiche più importanti dei fullereni è che hanno un numero insolitamente elevato di centri di reazione equivalenti, che spesso porta a una complessa composizione isomerica dei prodotti di reazione con la loro partecipazione. Di conseguenza, la maggior parte delle reazioni chimiche con i fullereni non sono selettive e la sintesi dei singoli composti è molto difficile.

Tra le reazioni per ottenere derivati ​​fullerenici inorganici, le più importanti sono i processi di alogenazione e la produzione dei derivati ​​alogeni più semplici, nonché le reazioni di idrogenazione. Pertanto, queste reazioni sono state tra le prime effettuate con fullerene C 60 nel 1991. Consideriamo i principali tipi di reazioni che portano alla formazione di questi composti.

Subito dopo la scoperta dei fullereni, suscitò grande interesse la possibilità di una loro idrogenazione con formazione di "fullereni". Inizialmente, sembrava possibile aggiungere sessanta atomi di idrogeno al fullerene. Successivamente, in studi teorici, è stato dimostrato che nella molecola C 60 H 60, parte degli atomi di idrogeno dovrebbe trovarsi all'interno della sfera del fullerene, poiché gli anelli a sei membri, come le molecole di cicloesano, dovrebbero prendere la "sedia" o il "bagno" conformazioni. Pertanto, le molecole di poliidrofullerene attualmente note contengono da 2 a 36 atomi di idrogeno per il fullerene C 60 e da 2 a 8 per il fullerene C 70.

Durante la fluorurazione dei fullereni è stato trovato un insieme completo di composti C 60 F n, dove n assume anche valori fino a 60. I derivati ​​del fluoro con n da 50 a 60 sono chiamati perfluoruri e sono stati trovati tra i prodotti di fluorurazione dallo spettro di massa a concentrazioni estremamente basse. Esistono anche iperfluoruri, cioè prodotti della composizione C 60 F n , n>60, dove la gabbia di carbonio fullerene viene parzialmente distrutta. Si presume che ciò avvenga anche nei perfluoruri. I problemi della sintesi di fluoruri fullerenici di varie composizioni sono un problema indipendente più interessante, il cui studio è più attivamente studiato presso la Facoltà di Chimica dell'Università statale di Mosca. MV Lomonosov.

Lo studio attivo dei processi di clorazione dei fullereni in varie condizioni è iniziato già nel 1991. Nei primi lavori, gli autori hanno cercato di ottenere cloruri C 60 facendo reagire cloro e fullerene in vari solventi. Ad oggi sono stati isolati e caratterizzati diversi singoli fullereni cloruri C 60 e C 70 ottenuti utilizzando vari agenti cloruranti.

I primi tentativi di bromurare il fullerene sono stati fatti già nel 1991. Fullerene C 60 , posto in bromo puro ad una temperatura di 20 e 50°C, ha aumentato la massa di un valore corrispondente all'aggiunta di 2-4 atomi di bromo per molecola di fullerene. Ulteriori studi sulla bromurazione hanno mostrato che l'interazione del fullerene C 60 con il bromo molecolare per diversi giorni produce una sostanza arancione brillante, la cui composizione, come determinato dall'analisi elementare, era C 60 Br 28 . Successivamente sono stati sintetizzati diversi bromo derivati ​​dei fullereni, che differiscono in un'ampia gamma di valori per il numero di atomi di bromo in una molecola. Molti di loro sono caratterizzati dalla formazione di clatrati con l'inclusione di molecole di bromo libere.

L'interesse per i derivati ​​perfluoroalchilici, in particolare i derivati ​​trifluorometilati dei fullereni, è associato principalmente alla stabilità cinetica attesa di questi composti rispetto ai derivati ​​alogeni dei fullereni soggetti a reazioni di sostituzione nucleofila di S N 2'. Inoltre, i perfluoroalchilfullereni possono essere interessanti come composti con un'elevata affinità elettronica a causa delle proprietà accettore dei gruppi perfluoroalchilici che sono persino più forti di quelle degli atomi di fluoro. Ad oggi, il numero di singoli composti isolati e caratterizzati della composizione C 60/70 (CF 3) n, n=2-20 supera 30, ed è in corso un intenso lavoro per modificare la sfera fullerenica da molti altri gruppi contenenti fluoro - CF 2 , C 2 F 5 , C 3 F 7 .

La creazione di derivati ​​biologicamente attivi del fullerene, che potrebbero trovare applicazione in biologia e medicina, è associata al conferimento di proprietà idrofile alla molecola del fullerene. Uno dei metodi per la sintesi di derivati ​​fullerenici idrofili è l'introduzione di gruppi ossidrilici e la formazione di fullerenoli o fulleroli contenenti fino a 26 gruppi OH, ed anche, probabilmente, ponti di ossigeno simili a quelli osservati nel caso degli ossidi. Tali composti sono altamente solubili in acqua e possono essere utilizzati per la sintesi di nuovi derivati ​​fullerenici.

Come per gli ossidi di fullereni, i composti C 60 O e C 70 O sono sempre presenti nelle miscele iniziali di fullereni nell'estratto in piccole quantità. Probabilmente, l'ossigeno è presente nella camera durante la scarica dell'arco elettrico e alcuni fullereni sono ossidati. Gli ossidi di fullerene sono ben separati su colonne con vari adsorbenti, il che consente di controllare la purezza dei campioni di fullerene e l'assenza o la presenza di ossidi in essi. Tuttavia, la bassa stabilità degli ossidi di fullerene ostacola il loro studio sistematico.

Ciò che si può notare sulla chimica organica dei fullereni è che, essendo un poliene carente di elettroni, il fullerene C 60 mostra una tendenza alle reazioni radicaliche, nucleofile e di cicloaddizione. Particolarmente promettenti in termini di funzionalizzazione della sfera fullerenica sono varie reazioni di cicloaddizione. Per la sua natura elettronica, C 60 è in grado di prendere parte a reazioni di α-cicloaddizione, e i più caratteristici sono i casi in cui n = 1, 2, 3 e 4.

Il principale problema risolto dai chimici di sintesi che operano nel campo della sintesi dei derivati ​​fullerenici rimane la selettività delle reazioni condotte fino ad oggi. Le caratteristiche della stereochimica dell'aggiunta ai fullereni consistono in un numero enorme di isomeri teoricamente possibili. Quindi, ad esempio, il composto C 60 X 2 ne ha 23, C 60 X 4 ne ha già 4368, tra cui 8 sono prodotti di addizione a due doppi legami. Gli isomeri 29 C 60 X 4, tuttavia, non avranno un significato chimico, avendo uno stato fondamentale di tripletta derivante dalla presenza di un atomo di carbonio ibridato sp2 circondato da tre atomi ibridati sp 3, formando C-X connessioni. Il numero massimo di isomeri teoricamente possibili senza tener conto della molteplicità dello stato fondamentale sarà osservato nel caso di C 60 X 30 e sarà 985538239868524 (1294362 di essi sono prodotti di addizione a 15 doppi legami), mentre il numero di non -isomeri singlelet della stessa natura dell'esempio precedente, non si presta alla semplice contabilizzazione, ma da considerazioni generali dovrebbe aumentare costantemente con la crescita del numero dei gruppi affiliati. In ogni caso, il numero di isomeri teoricamente ammissibili nella maggior parte dei casi è enorme, mentre passando a C 70 meno simmetrici e fullereni superiori, aumenta ulteriormente di diverse volte o di ordini di grandezza.

Infatti numerosi dati di calcoli di chimica quantistica mostrano che la maggior parte delle reazioni di alogenazione e idrogenazione dei fullereni procede con la formazione, se non degli isomeri più stabili, quindi almeno leggermente diversi da essi in energia. Le maggiori discrepanze si osservano nel caso degli idruri fullerenici inferiori, la cui composizione isomerica, come mostrato sopra, può dipendere anche leggermente dalla via di sintesi. Tuttavia, la stabilità degli isomeri risultanti risulta essere ancora estremamente vicina. Lo studio di queste regolarità nella formazione dei fullereni derivati ​​è un problema interessante, la cui soluzione porta a nuove conquiste nel campo della chimica dei fullereni e dei loro derivati.

Il fullerene è una molecola che è una sfera chiusa composta da sessanta atomi di carbonio. Nel 2010, in occasione del 25° anniversario della scoperta del fullerene, questo scarabocchio motore di ricerca Google. Ora il primo rapporto sulla sintesi del C60 ha più di 30 anni e il Premio Nobel, a coronamento della storia della sua scoperta, ha poco meno di 20 anni, mentre la ricerca stessa sui fullereni è ancora in corso. Perché questa molecola è così interessata ai ricercatori di tutto il mondo? Perché molte persone che non sono molto esperte in scienze almeno ne hanno sentito parlare?

Iniziamo con un'introduzione alla storia del C60. Spesso una scoperta notevole è preceduta da eventi che a prima vista non hanno un collegamento diretto con essa, tuttavia, a ben guardare, combinano necessariamente un incontro di più persone intelligenti, un'idea interessante e nuovi risultati sperimentali che consentono di cogliere uno sguardo nuovo al problema di interesse.

Tutto è iniziato con il fatto che a metà degli anni '70 Harold Kroto scoprì lunghe catene molecolari di carbonio da dati spettrali provenienti dallo spazio e desiderava ottenerle in laboratorio. All'inizio degli anni '80 oltreoceano, presso la Rice University (Texas, USA), nel laboratorio di Richard Smalley, sono state sviluppate apparecchiature per lo studio di composti e cluster formati da elementi refrattari.

Resta da collegare insieme questi due eventi. Ciò è stato fatto dal terzo membro del team Nobel, Robert Curle, che, ospite del laboratorio di Kroto all'Università del Sussex, lo ha invitato a visitare il laboratorio di Smalley, cosa che ha fatto nel 1984. Kroto è rimasto colpito dalla fattibilità della configurazione e ha suggerito di sostituire il disco di metallo con uno di grafite per creare catene di carbonio invece di ammassi di metallo, simulando condizioni come quelle dei gusci stellari.

Nell'agosto 1985, Kroto venne da Smalley's per partecipare a un simile esperimento. Inizia così la sua storica visita di 10 giorni. Questi 10 giorni di settembre hanno prodotto i primi picchi oscuri nello spettro di massa per strutture di 60 e 70 atomi di carbonio, per poi essere interpretati come strutture chiuse a forma di pallone da calcio e da rugby. E il 13 settembre i redattori della rivista Natura ha ricevuto un articolo dal titolo "C60: Buckminsterfullerene". La molecola del fullerene in questo articolo è raffigurata con l'aiuto di un pallone da calcio: a quanto pare, gli autori semplicemente non hanno avuto il tempo di costruire un modello atomico comprensibile.

Perché gli autori presumevano che la molecola C60 risultante fosse precisamente una sfera chiusa e non una catena? Ciò è dovuto, tra l'altro, al fatto che la natura "ama" le strutture simmetriche e un icosaedro tronco (la forma di un pallone da calcio) ha la più alta simmetria. Kroto ha scritto: "Ricordo di aver pensato che questa forma della molecola è così bella che deve essere vera". Kroto si ispirò alla cupola costruita dall'eminente inventore e filosofo Buckminster Fuller, morto nel 1983, da cui prese il nome la nuova molecola.

Va notato che i fullereni erano teoricamente previsti molto prima della produzione sperimentale. Nel 1966, David Jones suggerì che l'introduzione di difetti pentagonali in uno strato di grafite costituito da esagoni regolari potesse trasformare questo strato piatto in una struttura chiusa e vuota. Nel 1971 in Giappone, il fisico Osawa discusse la possibilità dell'esistenza di una tale struttura (Fig. 3). Ma ha pubblicato questo risultato su una rivista giapponese Kagaku("Chimica"), che è pubblicato solo in giapponese. Poi un anno dopo scrisse un libro sull'aromaticità, ma sempre in giapponese, che includeva un capitolo sul fullerene. Fu a causa della barriera linguistica che il suo lavoro non fu noto alla comunità scientifica fino alla scoperta sperimentale del C60.

Va notato che in URSS nel 1971 è stato effettuato per la prima volta un calcolo quantistico della stabilità e della struttura elettronica del fullerene. È successo nel modo seguente. Il direttore dell'Istituto di composti di organoelementi dell'Accademia delle scienze russa (INEOS RAS) a quel tempo era accademico dell'Accademia delle scienze dell'URSS AN Nesmeyanov, suggerì che il capo del laboratorio di chimica quantistica DA Bochvar indagasse sulle strutture chiuse di carbonio cavo in cui possono essere collocati atomi di metallo, e quindi isolarli dall'ambiente.

Insieme ai suoi colleghi E. G. Galpern e I. V. Stankevich, D. A. Bochvar ha iniziato questo lavoro. Iniziò con lo studio della stabilità della molecola C20, che ha la forma di un dodecaedro, quindi fu chiamato carbododecaedro. Tuttavia, la dimensione di una tale molecola è piccola, il che inizialmente limita la possibilità di introdurre atomi di metallo al suo interno. E, soprattutto, i risultati del calcolo hanno mostrato che una tale struttura deve essere instabile. Il lavoro si è fermato. I. V. Stankevich, essendo un appassionato giocatore di football, ha proposto un'altra possibile struttura chiusa in carbonio C60, che ha la simmetria di un icosaedro troncato: un pallone da calcio. Ha portato un pallone da calcio in laboratorio e ha detto a Galpern: “Lena, 22 uomini sani calciano questo pallone per ore e non se ne fa nulla. Una molecola di questa forma deve essere molto forte”.

Il calcolo quantistico di una molecola di queste dimensioni era molto difficile per i computer dell'epoca, ma fu eseguito e dimostrò che C60 è una molecola stabile. All'inizio, Bochvar, Halpern e Stankevich non riuscirono a convincere i chimici della possibilità dell'esistenza di una tale molecola, e solo l'apparizione nel 1972 di una breve nota di scienziati americani su una possibile molecola di dodecaedro C20, con la quale gli autori andarono ad AN Nesmeyanov, lo spinse a presentare un lavoro su C60 in Doklady AN SSSR. Sfortunatamente, Bochvar, Halpern e Stankevich non riuscirono a convincere i chimici sperimentali a sintetizzare questa struttura e fino alla sintesi nel 1985, questa struttura era considerata un'invenzione teorica. I premi Nobel hanno notato il loro contributo allo studio del C60. Nella conferenza di Smalley per il Nobel, è stato notato che Osawa, Jones, Halpern, Stankevich meritavano questo premio, ognuno dei quali ha contribuito alla scoperta.

La storia della scoperta del fullerene può essere completata con le parole di Kroto dalla sua conferenza al Nobel: “La storia della scoperta del C60 non può essere valutata correttamente senza tener conto della bellezza della forma di questa molecola, che è dovuta alla sua incredibile simmetria. Un altro fatto importante che crea un'aura attorno a questa molecola è legato al suo nome: buckminsterfullerene. Tutto ciò conferisce alla nostra elegante molecola un carisma che ha affascinato gli scienziati, ha deliziato gli abitanti, ha aggiunto entusiasmo ai giovani nel loro atteggiamento nei confronti della scienza e, in particolare, ha dato una ventata di freschezza alla chimica”.

Proprietà del fullerene e della fullerite

Il fullerene puro a temperatura ambiente è un isolante con un gap di banda di circa 2 eV o un semiconduttore intrinseco con conducibilità molto bassa. È noto che nei solidi gli elettroni possono avere energia solo in determinati intervalli dei suoi valori - nelle zone energetiche consentite, che sono formate da livelli di energia atomica o molecolare. Queste bande sono separate da bande di energie proibite, che gli elettroni non possono avere.

La banda inferiore, di regola, è piena di elettroni coinvolti nella formazione di un legame chimico tra atomi o molecole, quindi è spesso chiamata banda di valenza. Al di sopra si trova il gap di banda, seguito da una banda vuota o non completamente riempita di energie consentite, o la banda di conduzione. Deve il suo nome perché in esso sono sempre presenti stati elettronici liberi, grazie ai quali gli elettroni possono muoversi (deriva) in un campo elettrico, effettuando così il trasferimento di carica o, in altre parole, garantendo il flusso di corrente elettrica (conducibilità del corpo solido). .

I cristalli di fullerene (fulleriti) sono semiconduttori con un intervallo di banda di 1,2–1,9 eV e possiedono fotoconduttività. Quando irradiato con luce visibile resistenza elettrica il cristallo di fullerite diminuisce. La fotoconduttività è posseduta non solo dalla fullerite pura, ma anche dalle sue varie miscele con altre sostanze. È stato riscontrato che l'aggiunta di atomi di potassio ai film C60 porta alla comparsa di superconduttività a 19 K.

Legando a se stessi radicali di diversa natura chimica, i fullereni sono in grado di formare un'ampia classe di composti chimici con diverse proprietà fisico-chimiche. Sono stati così ottenuti film di polifullerene, in cui le molecole di C60 sono legate tra loro non da van der Waals, come in un cristallo di fullerite, ma mediante interazione chimica. Questi film con proprietà plastiche sono un nuovo tipo di materiale polimerico. Interessanti risultati sono stati raggiunti nella direzione della sintesi di polimeri a base di fullereni. In questo caso, il fullerene C60 funge da base della catena polimerica e la connessione tra le molecole viene effettuata utilizzando anelli benzenici. Questa struttura ha ricevuto il nome figurativo "filo di perle".

La polimerizzazione del fullerene porta alla comparsa di effetti insoliti promettenti tecnologia moderna. La combinazione di fullereni con altre nanostrutture di carbonio porta a oggetti interessanti: i fullereni all'interno dei nanotubi di carbonio formano "baccelli di pisello" ( piselli), che hanno la prospettiva di essere utilizzati in laser, transistor a elettrone singolo, qubit di spin per computer quantistici, ecc., mentre l'azione di un fascio di elettroni può portare alla polimerizzazione del fullerene in un tubo di carbonio interno. D'altra parte, l'aggiunta di fullerene alla superficie di un nanotubo crea un "nanobud" con proprietà di emissione promettenti.

In FGBNU TISNUM (Mosca, Troitsk) nel 1993 per la prima volta V. D. Blank, M. Yu. Popov e S. G. Buga hanno ottenuto un nuovo materiale a base di fullereni: la fullerite ultradura, o tisnumite, che ha costanti elastiche e durezza record e può persino graffiare un diamante. L. A. Chernozatonsky ha proposto un modello di tale polimero, che ha coinciso perfettamente con l'esperimento. Le proprietà uniche di questo materiale sono probabilmente dovute al fatto che la fullerite polimerizzata in esso contenuta è in uno stato compresso, aumentando significativamente la rigidità meccanica e la durezza dell'intero materiale. Campioni di carbonio ultraduro sono stati successivamente ottenuti in altri gruppi.

Fullereni non carboniosi

Una struttura cava chiusa può essere formata non solo da atomi di carbonio. Sarebbe naturale aspettarsi che il nitruro di boro, un analogo isoelettronico del carbonio, possa anche formare una molecola di forma simile. Tuttavia, tali strutture sono state ottenute solo nel 1998 e i primi membri della serie di fullereni non carboniosi erano strutture chiuse della composizione MoS2 e WS2. Questi composti appartengono alla classe dei dicalcogenuri dei metalli di transizione - composti costituiti da strati di atomi di metallo con strati di calcogeno (in questo caso zolfo) attaccati su entrambi i lati. Una caratteristica di tali fullereni è la loro inerzia chimica, che consente loro di essere utilizzati come un ottimo lubrificante. Aziende Nanomateriali e NIS vendere tali prodotti in volumi superiori a 1000 tonnellate all'anno.

Al momento sono state scoperte diverse dozzine di fullereni non carboniosi che hanno strutture e composizioni diverse. Spesso la sintesi è preceduta da una previsione teorica che permette di stimare le proprietà del materiale. Ad esempio, nel 2001 sono stati proposti modelli di fullereni da diboruro di magnesio. Nel 2007, il gruppo di Boris Yakobson (Rice University) ha previsto un fullerene costituito interamente da boro B80, che ha la stessa simmetria di C60. Un articolo su una molecola così bella ha suscitato grande interesse da parte della comunità scientifica, è stato previsto un numero di fullereni di boro stabili contenenti un diverso numero di atomi e nel 2014 è stato pubblicato un articolo in cui è stata segnalata la sintesi riuscita del fullerene di boro B40. Recentemente è stato pubblicato un lavoro che prevede la struttura stabile di C60Sc20, un fullerene in cui i cicli a cinque membri di atomi di carbonio sono collegati tra loro attraverso atomi di metallo. Tale molecola dimostra una buona stabilità e può essere probabilmente utilizzata come assorbente per l'idrogeno molecolare. Sta all'esperimento.

letteratura aggiuntiva

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Osawa E. Supersimmetria // Kagaku Kyoto. 1970 vol. 25. P. 854.

Bochvar DA, Galpern E.G. Struttura elettronica delle molecole C20 e C60 // DAN SSSR Chemical series. 1973. V. 209, n. 3. S. 610–615.

Smalley RE Alla scoperta dei fullereni // Uspekhi fizicheskikh nauk. 1998. V. 168, n. 3. S. 323.

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I fullereni sono composti molecolari appartenenti alla classe delle modificazioni allotropiche del carbonio, aventi strutture a telaio chiuso costituite da tre atomi di carbonio coordinati e aventi 12 facce pentagonali e (n/2 - 10) esagonali (n≥20). La particolarità è che ogni pentagono è adiacente solo agli esagoni.

La forma più stabile è C 60 (buckminsterfullerene), la cui struttura cava sferica è composta da 20 esagoni e 12 pentagoni.

Figura 1. Struttura di C 60

La molecola C 60 è costituita da atomi di carbonio legati tra loro da un legame covalente. Questa connessione è dovuta alla socializzazione degli elettroni di valenza degli atomi. La lunghezza del legame CC nel pentagono è 1,43 Ǻ, così come la lunghezza del lato dell'esagono che collega entrambe le figure, tuttavia, il lato che collega gli esagoni è di circa 1,39 Ǻ.

In determinate condizioni, le molecole di C 60 tendono ad essere ordinate nello spazio, si trovano ai nodi del reticolo cristallino, in altre parole, il fullerene forma un cristallo chiamato fullerite. Affinché le molecole di C 60 si trovino sistematicamente nello spazio, come i loro atomi, devono essere collegate tra loro. Questo legame tra le molecole in un cristallo è dovuto alla presenza di una debole forza di van der Waals. Questo fenomeno è spiegato dal fatto che in una molecola elettricamente neutra, la carica negativa degli elettroni e la carica positiva del nucleo sono disperse nello spazio, per cui le molecole sono in grado di polarizzarsi tra loro, in altre parole si portare a uno spostamento nello spazio dei centri di cariche positive e negative, che provoca la loro interazione.

Il solido C 60 a temperatura ambiente ha un reticolo cubico a facce centrate, la cui densità è di 1,68 g/cm 3 . A temperature inferiori a 0 ° C, si verifica una trasformazione in un reticolo cubico.

L'entalpia di formazione del fullerene-60 è di circa 42,5 kJ/mol. Questo indicatore riflette la sua bassa stabilità rispetto alla grafite (0 kJ/mol) e al diamante (1,67 kJ/mol). Vale la pena notare che all'aumentare delle dimensioni della sfera (al crescere del numero di atomi di carbonio), l'entalpia di formazione tende asintoticamente all'entalpia della grafite, ciò è dovuto al fatto che la sfera assomiglia sempre di più ad una aereo.

Esternamente i fullereni sono polveri finemente cristalline di colore nero, inodori. Sono praticamente insolubili in acqua (H 2 O), etanolo (C 2 H 5 OH), acetone (C 3 H 6 O) e altri solventi polari, ma in benzene (C 6 H 6), toluene (C 6 H 5 - CH 3), cloruro di fenile (C 6 H 5 Cl) si sciolgono formando soluzioni di colore rosso-viola. Si noti che quando si aggiunge una goccia di stirene (C 8 H 8) ad una soluzione satura di C 60 in diossano (C 4 H 8 O 2), il colore della soluzione cambia istantaneamente da giallo-marrone a rosso- viola, per la formazione del complesso (solvato).

In soluzioni sature di solventi aromatici, i fullereni a basse temperature formano un precipitato: un solvato cristallino della forma C 60 Xn, dove X è benzene (C 6 H 6), toluene (C 6 H 5 -CH 3), stirene (C 8 H 8), ferrocene (Fe(C 5 H 5) 2) e altre molecole.

L'entalpia di dissoluzione del fullerene nella maggior parte dei solventi è positiva; all'aumentare della temperatura, la solubilità, di regola, si deteriora.

Lo studio delle proprietà fisiche e chimiche del fullerene è un fenomeno importante, poiché questo composto sempre più integrato nelle nostre vite. Al momento, vengono discusse le idee sull'utilizzo dei fullereni nella creazione di fotorilevatori e dispositivi optoelettronici, catalizzatori di crescita, film simili a diamanti e diamanti, materiali superconduttori e anche come coloranti per fotocopiatrici. I fullereni sono usati nella sintesi di metalli e leghe con proprietà migliorate.

I fullereni dovrebbero essere utilizzati come base per la produzione di accumulatori. Il principio di funzionamento di queste batterie si basa sulla reazione di idrogenazione, sono per molti versi simili alle diffuse batterie a base di nichel, tuttavia, a differenza di queste ultime, hanno la capacità di immagazzinare quantità di idrogeno diverse volte più specifiche. Inoltre, queste batterie hanno una maggiore efficienza, leggerezza e sicurezza ambientale e sanitaria rispetto alle batterie al litio più avanzate in termini di queste qualità. Le batterie fullerene possono essere ampiamente utilizzate per alimentare personal computer e apparecchi acustici.

Una notevole attenzione è rivolta al problema dell'uso dei fullereni in medicina e farmacologia. Si sta valutando l'idea di creare farmaci antitumorali a base di composti endoedrici idrosolubili di fullereni con isotopi radioattivi.

Tuttavia, l'uso dei fullereni è limitato dal loro costo elevato, dovuto alla laboriosità della sintesi di una miscela di fullereni, nonché alla separazione multistadio dei singoli componenti da essa.