3.1.4 Применение фуллеренов

Создание к 1990 году эффективной технологии синтеза, выделения и очистки фуллеренов в конечном итоге привело к открытию многих необычных свойств фуллеренов. Электрические, оптические и механические свойства фуллеренов в конденсированном состоянии указывают как на большое разнообразие физических явлений, происходящих при участии фуллеренов, так и на значительные перспективы использования этих материалов в электронике, оптоэлектронике и других областях техники. Годом открытия фуллеренов считается 1985г, хотя все предпосылки для открытия были и в 70-80гг. Подобная ситуация проявляется и с практическим применением фуллеренов – множество уникальных свойств не могут, пока, найти достойного массового применения.

Энергетика. Прогресс в использовании водорода как экологически чистого источника энергии зависит от решения проблемы доступного и дешевого способа его хранения. Многие исследователи утверждают, что эффективной средой для хранения водорода могут стать фуллерены, которые после гидрирования всех двойных связей могли бы содержать до 7,7 масс. % водорода (0,92 м³ H₂ на 1 кг C₆₀H₆₀). Однако получить такое соединение пока никому не удалось. Получаемые гидриды фуллеренов C₆₀H_Х (максимальный состав — C₆₀H₃₆) содержат до 6 масс.% водорода..

Японская промышленная корпорация «Мицубиси» применила фуллерены в качестве основы для производства аккумляторных батарей, работающих по принципу присоединения водорода. Новые аккумляторы на основе фуллеренов способны запасать примерно в пять раз большее количество водорода, чем промышленные металлогидридные никелевые аккумляторы

Оптика. Использование лазеров связано с определенной степенью опасности для биологических объектов. Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для сетчатки глаза из-за фокусирующих свойств глазной линзы. Так же существует проблема защиты технических датчиков и устройств, регистрирующих лазерное излучение в определенной области спектра и интенсивностей засветки. С широким развитием лазерной техники встал вопрос о разработке ограничителей мощности оптического излучения (оптических затворов). Как правило, для этих целей используют материалы с нелинейными оптическими характеристиками, в частности, с резким снижением прозрачности, начиная с некоторого критического значения мощности падающего излучения. Такими характеристиками обладают растворы фуллерена С₆₀ в некоторых растворителях, что связано с высокой поглощающей способностью возбужденных молекул фуллеренов, обусловленной заселением триплетного электронного уровня. Ограничители на основе фуллерена активны в окрестности длин волн около 532 нм.

Наноэлектроника. Эндоэдральные металлофуллерены обладают свойствами магнитного диполя, что создаёт возможность ориентировать эти молекулы с помощью внешнего магнитного поля. Опыты с эндоэдральными тербием и гадолинием показали применимость металлофуллеренов в качестве новых носителей информации с высокой плотностью записи ~10¹² бит/см², что превышает на пять порядков плотность записи на стандартной магнитной дискете и на четыре порядка на оптическом диске(10⁸бит/см²)

Удалось поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния. На рис. 3.7 схематично показана структура такой нанотрубки и приведен снимок, полученный с помощью электронной микроскопии.

Для таких соединений внедрения разработаны специальные химические обозначения. Описанная выше структура записывается как Gd@C₆₀@SWNT, что означает Gd внутри C₆₀ внутри однослойной нанотрубки (SWNT - single wall nanotube).

Рис. 3.7 Изображение нанотрубки Gd@C₆₀@SWNT, полученное с помощью электронной микроскопии [22] и структурное изображение P@C₆₀@SWCNT (12,0).

Показано, что структуры ³¹P@C₆₀@SWCNT и ¹⁵N@C₆₀@SWCNT можно использовать в качестве логических элементов спинового квантового компьютера. В частности спинового квантового регистра (рис. 3.8). Принцип работы основан на использовании и электронного, ядерного спинов эндоэдральных атомов (¹⁵N или ³¹P). Инжектированный спин-поляризованный электрон, в данном случае с ориентацией спина “вверх”, при отсутствии внешнего смещения беспрепятственно проходит через спиновый фильтр и достигает приемник.

В качестве спинового инжектора и спинового фильтра могут быть использованы пленки 3d- металлов или квантовые точки. Запись информации производится на ядерный спин эндоэдрального атома электромагнитным импульсом с энергией, достаточной для перехода ядерного спина в состояние +1/2 или -1/2 для каждого из четырех состояний электронного спина +3/2, +1/2, -1/2, -3/2. Ядерный спин атома ¹⁵N или ³¹P влияет на электронный спин молекулы фуллерена. Спинполяризованный электрон из инжектора двигается по поверхности нанотрубки в направлении спинового фильтра, при подаче локального смещения процесс переноса прекращается, на приемнике устанавливается “0”, т.о. реализуется инвертор.

Рис.3.8 Схема детектирования состояния электрона фуллерена, помещенного в нанотрубку.

При определенной величине смещения происходит связывание волновой функции электрона с волновой функцией фуллерена в месте подачи локального смещение, и переориентация спина электрона в соответствии с электронным спином молекулы фуллерена. Снятие смещения открывает путь к дальнейшему движению электрона, при достижении спинового фильтра он либо проходит через него, если направление спина и направление магнитного момента фильтра совпадает, либо рассеивается при их противоположной ориентации. Таким образом, электрическим полем производится связывание спиновых систем электрона и эндоэдрального комплекса ³¹P@C₆₀.

Медицина. Косметология. Предполагается использовать эндоэдральные соединения фуллеренов с включёнными радиоактивными элементами в качестве целого класса противораковых препаратов. Предполагается, что воздействие облучения будет локальным.

В январе 2006 года финансовый журнал Forbes опубликовал список лучших 10 нанопродуктов 2005 года, то есть товаров, при производстве которых применяются нанотехнологии. Четвертое место занял «фуллереновый крем для лица» от компании Zelens. В ходе исследований выяснилось, что фуллерен С₆₀ обладает антиоксидантными свойствами. Представители компании Zelens заявляют, что они первыми сумели применить возможности фуллерена С₆₀ в косметических средствах. Этот немаловажное замечание позволяет объяснить, почему на ценнике красуется трехзначная цифра в $250.

Рис. 3.9 Фуллереновый крем от Zelens.

Синтез материалов. Открытие фуллеренов привлекло внимание специалистов в области синтеза искусственных алмазов. 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 30-50 ГПа при температуре 900К. Давление, необходимое для превращения твердого фуллерена в алмаз, снижается с ростом температуры.

В 2010г группе исследователей удалось получить мономолекулярный слой фуллеренов С₈₄ на поверхности Si(111). С помощью атомного силового микроскопа была измерена твердость полученной гибридной структуры. Оказалось, что ее значение близко к SiC (9 единиц), для сравнения: алмаз обладает твердостью 10, монокристаллический Si от 6 до 7. Ширина запрещенной зоны гибридной С₈₄/Si структуры 3.4±0.5 эВ, что делает данный материал перспективным для создания оптоэлектронных устройств.

Использование в качестве наполнителей. Молекулы фуллеренов существенно влияют на термические и прочностные свойства материалов. В частности, установлено, что введение фуллеренов влияет на термостойкость полиэтиленгликоля, полистирола и проявляется в особенностях термического поведения поли(N-винилпирролидона), изучение которого актуально для применения фуллеренов в медицине. Фуллерены легко заполняют свободное пространство между молекулами, например, фоторезиста и улучшают термические и прочностные характеристики этого материала.

Опыты по добавлению фуллеренов C₆₀ в органическое стекло, в роли которого выступал полиметилметакрилат (ПММА), показали существенное изменение показателей механических свойств. При 1% содержании введенных фуллеренов происходит увеличению прочности пленок ПММА в 5 раз, модуля упругости в 2 раза. Улучшение механических свойств происходит из-за образования ковалентных связей между фуллереном и свободными полимерными радикалами на поверхности микротрещин, которые образуются при механических воздействиях. При увеличении деформации, раскрывающих трещины, происходит втягивание молекулы С₆₀ в микротрещину с образованием большого числа новых ковалентных связей, что в конечном итоге приводит к “залечиванию” микротрещин.

Уже первые эксперименты по исследованию механических свойств фуллеренов подтвердили надежды исследователей на создание высокоэффективной твердой смазки на основе фуллеренов. Согласно экспериментам, поверхность твердых материалов, покрытых фуллереновой пленкой, имеет аномально низкий коэффициент трения.