Алексей Маркин, доктор химических наук, профессор, декан химического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского
Химия — это экспериментальная наука, изучающая вещества и их превращения. В наше время, когда сделано множество открытий, постоянно появляются новые материалы, которые значительно облегчают нашу жизнь. Сегодня я хочу рассказать об одном из таких материалов — фуллерене.
Фуллерен С60 и С70 — это углеродные материалы, состоящие исключительно из атомов углерода. Их открытие стало одним из важнейших достижений в химии прошлого века, за что была присуждена Нобелевская премия по химии. Сегодня мы обсудим, как это соединение может изменить свойства распространенных материалов и повысить их прочность, а также рассмотрим, безопасен ли фуллерен и где он встречается в природе.
Всем нам знакомы два углеродных материала: графит и алмаз. Несмотря на одинаковый состав, они сильно отличаются по своим свойствам. Почему так происходит? Ответ кроется в строении молекул. Различные структуры определяют уникальные свойства каждого материала.
В молекуле графита все атомы углерода находятся в sp2-гибридном состоянии, а в алмазе — в sp3-гибридном. Ученые давно интересовались, что будет, если все атомы углерода будут находиться в sp-гибридном состоянии. Также рассматривались материалы, где часть атомов углерода находится в sp2, а часть — в sp3.
Для решения этого вопроса проводились как экспериментальные, так и теоретические исследования. Первые работы, предсказывающие существование такой молекулы, были проведены в нашей стране еще в 1970-х годах в Советском Союзе. Однако в то время историческая обстановка не позволяла опубликовать результаты этих исследований в открытой печати.
В конце 80-х — начале 90-х годов прошлого века была открыта новая аллотропная модификация углерода — фуллерен. За это открытие английские и американские ученые были удостоены Нобелевской премии по химии. С этого момента началась новая эра в химии фуллеренов.
Вторая аллотропная модификация — С70 — имеет вытянутую форму эллипса и также называется фуллереном. Позднее ученые научились получать фуллерены с другим количеством атомов углерода, вплоть до С500 и С400, но наибольший интерес вызвали молекулы, содержащие 60 и 70 атомов углерода.
К настоящему времени физики, химики, материаловеды, медики, биологи и другие исследователи опубликовали более сотни тысяч научных публикаций по фуллереновой тематике. Эти соединения нашли широкое применение в медицине и микроэлектронике. Они обладают высокими модулями упругости, необычными магнитными и оптическими свойствами, что определяет их широкий спектр применения.
На основе фуллерена C60 уже созданы лекарственные препараты. Один из них помогает бороться с последствиями инсульта — серьезного заболевания с высоким уровнем смертности. Этот препарат на основе фуллерена C60 предотвращает последствия инсульта и останавливает кровотечения после его наступления. Другие препараты на основе фуллеренов изобретены для медицинских применений, включая борьбу с онкологическими заболеваниями.
Высокие модули упругости и твёрдости фуллереновых молекул позволили создать материалы, близкие по твердости к алмазным. Они обладают магнитными, оптическими свойствами и молекулярным дизайном. 30 двойных связей на поверхности фуллеренового мяча открывают множество возможностей для химических реакций и превращений.
Одна из таких реакций — реакция Дильса–Альдера — была удостоена Нобелевской премии по химии. Она позволяет получать разнообразные органические, неорганические и гибридные соединения с необычными свойствами.
К молекуле фуллерена C60 можно пришивать полимерные молекулы, создавая фуллеренсодержащие полимеры. Эти полимеры даже при небольших количествах фуллеренового фрагмента способны не только сохранять свои свойства, но усиливать их характеристики, а также влиять на температуру стеклования, деструкции, полиморфных переходов и другие параметры.
Внутрь фуллеренового мяча можно поместить металлы, получая фуллириды — соединения, содержащие атомы ионов и металлов. Фуллириды металлов, такие как фуллириды лития и натрия, могут быть использованы для хранения водорода.
Гидрофуллерены C60H36 и C60H20 — это отдельная группа фуллереновых соединений, которые используются благодаря своим необычным электрохимическим свойствам.
Подводя итоги, можно сказать, что за короткое время после открытия этих молекул было получено огромное количество материалов, обладающих необычными свойствами. Эти материалы находят применение в различных областях техники, медицины и других сферах, что улучшает качество нашей жизни.
Фуллерен безопасен, с ним можно работать в обычной лаборатории. Внешне он напоминает сажу и плохо растворяется в водных растворителях, но растворяется в органических растворителях. Большую опасность представляют те растворители, в которых он растворяется, так как большинство реакций проходит в растворе. Однако сам фуллерен абсолютно безопасен.
Были работы, указывающие на то, что фуллерен встречается в природе, но это случается крайне редко. Чаще всего его получают синтетическим путём в лабораториях.
В Российской Федерации в крупнейших научных и научно-образовательных центрах, таких как подразделения Российской академии наук и высшие учебные заведения, проводились исследования в области фуллереновой тематики. В Санкт-Петербурге в Физико-техническом институте раз в два года проходили международные конференции, которые собирали до 600 участников. На этих конференциях прочитывалась Нобелевская лекция, и Нобелевский лауреат, открывший фуллереновую молекулу, приезжал на них и знакомил с результатами своих исследований. Ни в одной стране мира не проводилась такая отдельная конференция, только в нашей стране она проходила раз в два года. Она и сейчас проходит, только у неё немного изменилось название, и ведущие учёные со всего мира приезжают, чтобы поделиться опытом в области исследований фуллереновой тематики.
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки