Уникальные вещества будущего науки и практики.

ФУЛЛЕРЕНЫ - УНИКАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА БУДУЩЕГО

Жиленков Георгий Владиславович,

Руководитель: Глухоедова Екатерина Петровна,

ОБПОУ «Курский электромеханический техникум»

Аннотация

Статья посвящена изучению уникальных по своей природе химических веществ - фуллеренов. Автор исследует особенности строения, новых углеродных наночастиц, историю их появления, даёт обоснование особому интересу, возникшему вокруг этих соединений, с позиции новых открытий и разработок, позволяющих относить фуллерены к современным материалам будущего науки и практики. Статья может быть полезна в рамках углубленного изучения химии для студентов профильных специальностей, педагогов - предметников и широкому кругу читателей, интересующихся современной химией.

За последние несколько десятилетий углерод стал одним из наиболее изучаемых химических элементов. Практическая сфера применения данных исследований широка — техника, электроника, химическая промышленность, биология, медицина. Все это позволяет утверждать, что углерод — стратегический материал будущего и этов свою очередь подтверждается Нобелевскими премиями по химии и физике, присужденными за открытия новых и как показывают современные исследования уникальных форм этого вещества[5].

В последние годы в средствах массовой информации часто звучит термин «фуллерены». Фуллерены (другое расхожее название бакиболы) — химические соединения, являющиеся одной из аллотропных модификаций углерода.

История появления в науке этого вещества удивительна.Началось все с того, что в середине 1970-х британский химик Гарольд Крото обнаружил по спектральным данным из космоса длинные углеродные молекулярные цепочки, и у него появилось желание получить их в лабораторных условиях.

В начале 1980-х за океаном, в Университете Райса (Техас, США, WilliamMarshRiceUniversity), в лаборатории Ричарда Смолли, была разработана аппаратура для исследования соединений и кластеров, образующихся из тугоплавких элементов.

Осталось соединить эти два события воедино. Это было сделано третьим членом нобелевской команды Робертом Керлом, который, будучи гостем в лаборатории Крото, предложил ему посетить лабораторию Смолли. И в скорости редакция журнала Nature получила статью с заголовком «С60: Buckminsterfullerene». Молекула фуллерена в этой статье изображена с помощью футбольного мяча, — видимо, у авторов просто не было времени на постройку понятной атомарной модели [3].

При изучении литературы по данному вопросу у нас возник вопрос: «Почему авторы предположили, что полученная молекула С60 представляет собой именно замкнутую сферу, а не цепочку? Ответ оказался гениальным по своей простоте: это связано в первую очередь с тем, что природа «любит» симметричные структуры, а усеченный икосаэдр (форма футбольного мяча) имеет высшую симметрию. Сам Крото писал: «Помню, я думал о том, что такая форма молекулы настолько прекрасна, что должна быть верной» [5].

На мысль о такой форме Гарольда Крото подтолкнули ажурные куполообразные конструкции, построенные выдающимся изобретателем, философом и архитектором Ричардом БакминстеромФуллером, чьим именем и была названа новая молекула.В 1996 годуученые открывшие фуллерен С60 были удостоены нобелевской премии.Следует отметить, что теоретически фуллерены были предсказаны задолго до экспериментального получения. Отметим, что в СССР еще в 1971 году впервые был проведен квантово-химический расчет стабильности и электронной структуры нового соединения.Данным вопросом вплотную занимались аспирантка Елена Гальперн и её научный руководитель Д.А. Бочвар. Исследования проводились в лаборатории квантовой химии института элементоорганических соединений РАН (ИНЭОС РАН) им. А.Н. Несмеянова на молекуле С 20, названной карбодекаэдром.Однако размер такой молекулы на деле оказался настолькомал, что это ограничило работу по внедрениюв нее атомов металла, с целью изолировать их от воздействия окружающей среды. И главное, результаты расчета показали, что такая структура должна быть нестабильной. Работа остановилась.

Коллега исследователей И.В. Станкевич, будучи заядлым футболистом, предложил другую возможную замкнутую структуру из углерода С60, имеющую симметрию усеченного икосаэдра — футбольного мяча. Он принес в лабораторию футбольный мяч и сказал Гальперн: «Лена, 22 здоровых мужика часами пинают этот мяч, и с ним ничего не делается. Молекула такой формы должна быть очень крепкой» [2].

К большому сожалению, отечественным ученым так и не удалось убедить химиков-экспериментаторов синтезировать эту структуру, и вплоть до синтеза в 1985 году эта структура считалась теоретической выдумкой.

Итак, фуллерены. Как вы уже понимаете – это довольно необычный класс шарообразных молекул с замкнутой поверхностью. Самый простой и симметричный, наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов - фуллерен (C60). Молекула его представляет сферическую поверхность, которая образована из шестиугольников и пятиугольников. Природой задана четкая последовательность этого соединения: каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой одинарными и двойными связями[5].

Именно поэтому С60 удивительным образом напоминает по своей структуре футбольный мяч: вот только размер этого «мяча» составляет всего 1 нм, так что забивать им голы сможет лишь футболист наноскопического размера.

Добывают фуллерен в современных условиях только путем химического синтеза. В природе его можно обнаружить в местах извержения вулканов, либо в месте, куда ударила молния, или упал метеорит. Также он содержится в породе «шунгит», что является экологически чистым природным материалом.Откуда фуллерены появились в шунгите, пока объяснить никто не может. Это тайна, как и происхождение самого шунгита. Интересно и то, что эти молекулы могут удерживать на себе электрический заряд и передавать его соседним молекулам, как это происходит в металлических проводниках электричества. Таким образом, фуллерены являются естественными накопителями электричества и иных видов энергий пространства, дополняя аккумулирующие свойства шунгита, миниатюрными генераторами формы, трансформирующими накопленную им энергию в излучения, частоты которых резонируют с частотами живых организмов. Именно этим объясняются оздоравливающие и омолаживающие свойства шунгита, его благотворное влияние на организм человека: снабжение энергией резонирующей с природной частотой его биополя, восполняя энергетический дефицит организма и нормализуя, за счёт этого, процесс его жизнедеятельности.

Так что же приносит в нашу жизнь открытие фуллеренов помимо научного интереса? Чем они ещё полезны современному обществу?

Уникальность фуллеренов заключается в том, что они обладают высокой устойчивостью относительно механических и химических воздействий.

Области применения фуллеренов и их производных определяются числом патентов, зарегистрированных в различных отраслях науки и техники. Можно сказать, что открытие фуллеренов перевернуло мир науки. Благодаря фуллеренам стала намного эффективнее технология изготовления присадки в моторное топливо для ракет и автомобилей, и сверхпроводящих материалов. Обсуждается идея создания противораковых медицинских препаратов на основе водорастворимых эндоэдральных соединений фуллеренов с радиоактивными изотопами. Эндоэдральные соединения – это молекулы фуллеренов, внутри которых помещен один или более атомов какого-либо химического элемента [7]. На фуллерены в медицине возлагаются огромные надежды в лечении ВИЧ заболеваний и его последствий.

В настоящее время наиболее перспективно использование модифицированных фуллеренов, т.е. фуллеренов с различными функциональными группами (например,(ОН)^-).Модифицированные с помощью фуллеренов полимеры, керамика, металлы приобретают новые качества прочности и упругости, существенно снижается их коэффициент трения, интенсивность изнашивания. Водорастворимые соединения фуллеренов, в частности фуллеренолы, активны по отношению к различным микроорганизмам и «убивают» различные виды бактерий и грибков, которые не реагируют на другие антибактериальные средства [7].

Водорастворимые формы производных фуллеренов так же могут находить самое широкое применение в машиностроении (в водорастворимых охлаждающих и антифрикционных составах), строительстве (в качестве растворимых присадок к цементам и бетонам).

И этот список активно растет. Даже секрет сохранения молодости на сегодня является так же одной из задач при изучении свойств «всемогущих» фуллеренов.

Информация о том, что фуллеренывозможно использовать в качестве основы для производства аккумуляторных батарей, особенно интересна для профиля специальности «Электрохимическое производство». Эти батареи, принцип действия которых основан на реакции присоединения водорода, во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым аккумуляторам, однако в отличие от последних, обладают способностью запасать примерно в 5 раз больше удельное количество водорода. Такие батареи характеризуются малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с аккумуляторами на основе лития. Подобные аккумуляторы могут найти широкое применение для питания современных персональных компьютеров и слуховых аппаратов[8].

И в заключение хотелось бы процитироватьГарольда Крото(из его нобелевской лекции): «История открытия С60 не может быть правильно оценена без учета красоты формы этой молекулы, которая обусловлена ее невероятной симметрией. Другой важный факт, создающий ауру вокруг этой молекулы, связан с ее названием — бакминстерфуллерен. Все это придает нашей элегантной молекуле харизму, которая очаровала ученых, привела в восторг обывателей, добавила энтузиазма молодым в их отношении к науке и, в частности, придала свежее дыхание химии» [4].

Список источников

1. Золотухин И.В. Фуллерит – новая форма углерода (эл. ресурс) http:// en. bookfi.net/ book/813177

2. История открытия самой красивой молекулы (эл. ресурс) http://gazeta.sfu-kras.ru/node/2465

3. Фуллерены: история открытия и свойства (эл. ресурс) http:// pikabu.ru/story/ fullerenyi istoriya_otkryitiya_i_svoystva_4277375

4. История открытия фуллеренов (эл. ресурс) http://cyberleninka.ru/ article / n/istoriya-otkrytiya-fullerena/viewer

5. Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C. et al. // Nature. 1985. Vol. 318. P. 162.

6. Никитина Ю. Н., Зотова А. В., Ягафарова З. А. Структура и физические свойства фуллерена - С60 // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2017. – Т. 2. – С. 37–39 URL: http://e-koncept.ru/2017/570009.htm 6-5

7. Основные потенциальные применения фуллеренов (эл. ресурс) http:// www. bibliofond.ru/view.

8. Роль углеродной добавки в электрохимическом поведении оксидных катодов ЛИА (эл. ресурс) http://cyberleninka.ru/article/n/perspektivnye-kompozitsionnye-materialy/viewer

9. Чем полезны фуллерены? (эл. ресурс) http: //shkolazhizni. ru/ world/ articles/60397/