Применение фуллеренов

Создание в 1990 году Кречмером и Хафлером эффективной технологии, синтеза, выделения и очистки фуллеренов в конечном итоге привело к открытию многих новых необычных свойств фуллеренов.

Электрические, оптические и механические свойства фуллеренов в конденсированном состоянии указывают как на богатое физическое содержание явлений, происходящих при участии фуллеренов, так и на значительные перспективы использования этих материалов в электронике, оптоэлектронике и других областях техники. Кристаллические фуллерены и пленки из них представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1.2 - 1.9 эВ и обладают фотопроводимостью при оптическом облучении. Фуллерены в кристаллах характеризуются относительно невысокими энергиями связи, поэтому в таких кристаллах уже при комнатной температуре наблюдаются фазовые переходы, приводящему к ориентационному разупорядочению и размораживанию вращения молекул фуллеренов. Кристаллы С₆₀, легированные атомами щелочных металлов обладают металлической проводимостью, и переходят в сверхпроводящее состояние в диапазоне от 19 до 55 К в зависимости от типа щелочного металла. Указанный диапазон температуры сверхпроводящего перехода является рекордным для молекулярных сверхпроводников. Еще более высокая температура сверхпроводящего перехода (вплоть до 100К) ожидается для сверхпроводников на основе высших фуллеренов.

Растворы фуллеренов характеризуются нелинейными оптическими свойствами, что проявляется, в частности, в резком снижении прозрачности раствора при превышении интенсивности оптического излучения некоторого критического значения. Это открывает возможность использования фуллеренов в качестве основы для нелинейных оптических затворов, применяемых для защиты оптических устройств от интенсивного оптического облучения.

Открытие фуллеренов привлекло внимание специалистов в области синтеза искусственных алмазов. Уже первые эксперименты показали, что пленка С₇₆ является эффективным катализатором при нанесении искусственных алмазных покрытий из углеродной плазмы. Превращение кристаллического фуллерена в алмаз происходит при значительно более мягких условиях, чем в случае традиционно используемого для этой цели графита. При комнатной температуре указанное превращение наблюдается при давлении 20 ГПа, в то время как для аналогичного превращения графита его необходимо подвергнуть давлению в 35 - 40 ГПа при температуре около 900^о К. Давление, требуемое для превращения фуллерена в алмаз снижается с ростом температуры. Так, в частности, при использовании в качестве катализатора никеля и кобальта и нагреве до температур 1200 - 1850^о С для такого превращения достаточно 6.7 ГПа.

Механические свойства фуллеренов позволяют использовать их в качестве высокоэффективной твердой смазки.

С открытием фуллеренов многие связывают и возможный переворот в органической химии. Молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокой электроотрицательностью (они способны накачивать на сферу до 6 дополнительных электронов!), они выступают в химических реакциях как достаточно сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами. Так, были получены пленки полифуллерита, в которых молекулы С₆₀ уже связаны не слабыми Ван-дер-ваальсовыми связями, как в кристалле фуллерита, а химическим взаимодействием. Эти пленки обладающие пластическими свойствами, являются новым типом полимерных материалов.

По ряду устных свидетельств, под давлением были синтезированы и объемно-прошитые ковалентными связями образцы фуллеренов. Утверждается, что такой материал царапает алмаз. Если это так, то это свойство вполне понятно. Дело в том, что среднее расстояние углерод-углерод в фуллерене равно 0.140 нм, как и в графите, тогда как в алмазе - 0.142 нм. Т.е., в фуллерене химическая связь углерод-углерод сильнее, нежели чем в алмазе. Если решетку из молекул фуллерена прошить объемными сильными ковалентными связями, то способность подобного соединения царапать алмаз становится вполне понятной.

Присоединение к С₆₀ радикалов, содержащих металлы платиновой группы позволяет получить ферромагнитный материал на основе фуллерена. Новые химические свойства обнаруживают соединения, структура которых получается в результате замены части атомов углерода на металлы. К таким соединениям, называемым металлокарбонами, относятся, например, Ti₈C₁₂, V₈C₁₂, Hf₈C₁₂, Zr₈C₁₂.

Другими уникальными соединениями фуллеренов являются эндоэдральные комплексы. В этих соединениях, уже синтезируемых в макроколичествах, один или несколько атомов металлов, неметаллов или даже отдельных молекул помещаются внутрь углеродной сферы. В частности, ожидается, что на основе эндоэдральных комплексов в будущем будут созданы высокоэффективные лекарства против рака. Так, нетрудно представить себе, что внутрь такой сферы можно поместить атом высокоактивного нуклида, а на сферу поместить органические хвосты, делающие подобное соединение специфичным тем или иным структурам или органам (например - раковой опухоли) организма. Таким образом можно будет добиться того, что, будет проводится селективная радиотерапия без повреждения соседствующих органов и тканей.

Разнообразие физико-химических и структурных свойств соединений на основе фуллеренов позволяет говорить о химии фуллеренов как о новом перспективном направлении органической химии, развитие которого может привести к непредсказуемым результатам.

Интерес к нанотрубкам значительно возрос после разработки технологии получения их в количестве порядка грамма. При контакте открытого конца нанотрубки с расплавленным свинцом трубка под действием капиллярного эффекта заполняется металлом, превращаясь в тончайший изолированный провод в оболочке. Обработка трубок кислородом при высокой температуре позволяет получать однослойные трубки с открытыми концами.

Другим, не менее перспективным и удивительным свойством фуллеренов является их реакции с водородом. Так, фуллерены способны формировать эндоэдральные комплексы с молекулярным водородом. Внутрь молекулы С₇₀ возможно поместить до трех молекул H₂ и сформировать комплекс (H₂)@C₇₀. Так вот, плотность водорода в таком соединении превышает 1! Фуллерены являются в настоящее время самым наилучшим депо для молекулярного водорода, что открывает большую перспективу их использования как высокоэффективного энергоносителя будущего.

В 1994 году компания “Мицубиси” распространила сообщение о первом применении фуллеренов в электронике. Согласно этому сообщению, фуллерены используются в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. Эти батареи характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее продвинутыми в этом плане аккумуляторов на основе лития.

Всем известно, что основным ингредиентом любого косметического продукта является вода. Доказано, что структура и свойства воды, которая окружает молекулы фуллерена, идентична структуре воды, прилегающей непосредственно к поверхности важнейших биологических структур (ДНК, мембраны клеток, белки, ферменты и т.д.). Другими словами, косметический продукт, содержащий фуллерен, действует как мощнейший антиоксидант и мощнейший увлажнитель. Фуллерен эффективно борется с основными проблемами кожи.

Действие фуллерена:

- поглощает свободные радикалы

Антиоксидантная активность фуллерена в 100 – 1000 превышает действие известных антиоксидантов (например витамин Е, дибунол, b -каротин). Причем гидратированный фуллерен не подавляет естественного уровня свободных радикалов в организме а становится активным лишь в условиях повышения их концентрации. И чем больше образуется свободных радикалов в организме, тем активнее гидратированный фуллерен их нейтрализует. Механизм антиоксидантного действия фуллерена принципиально отличается от действия известных, применяемых в практике антиоксидантов. Так, для нейтрализации одного радикала необходима одна молекула традиционного антиоксиданта. А одна молекула гидратированного фуллерена способна нейтрализовать неограниченное количество активных радикалов. Это своего рода антиоксидант-катализатор. Причем, сама молекула фуллерена не участвует в реакции, а является лишь структурообразующим элементом водного кластера.

- действует как эффективный солнцезащитный фильтр

- борется со старением кожи

- борется с морщинами

- выравнивает цвет кожи

- препятствует процессу окисления кожного сала

- сужает поры

- устраняет проблему акне

- оказывает противовоспалительное действие

- благотворно воздействует на кожу в течение 40 часов (!)

- восстанавливает клетки кожи

- препятствует окислению других компонентов косметических продуктов

Российские ученые продолжают успешные медико-биологические исследования фуллеренов. ПерсТ сообщал ранее об обнаружении сотрудниками Института экспериментальной медицины РАМН антивирусной активности комплекса фуллерена С₆₀ с поливинилпирролидоном (ПВП), сопоставимой с активностью известного антигриппозного препарата ремантадин , а также об экспериментах, показавших, что фуллерены могут предотвращать нарушение формирования долговременной памяти .Для исследований в области биологии и медицины применяют водорастворимые формы фуллеренов - в виде суспензии тонкоизмельченных образцов, нековалентных комплексов с макромолекулярным носителем или производных фуллеренов. В последнем случае правильнее говорить о фуллереноподобных соединениях .Биологические перспективы фуллеренов широки – они могут быть использованы для создания не только антивирусных, но также и других типов лекарственных средств.

Группа ученых из Хьюстона обнаружила одновременно несколько неожиданных свойств фуллеренов. Исследователи выяснили, что нанокристаллы фуллерена растворяются в воде и обладают бактерицидным действием, когда концентрация составляет всего половину миллионной доли.