Fullereen is een soort kristalrooster. Fullerenen: onverwachte biologische eigenschappen van koolstofnanodeeltjes. Fullereen als materiaal voor halfgeleidertechnologie
FULLERENEN - EEN NIEUWE ALLOTROPISCHE VORM VAN KOOLSTOF
1. THEORETISCH DEEL
1.1. Bekende allotrope vormen van koolstof
Tot voor kort was bekend dat koolstof drie allotrope vormen vormt: diamant, grafiet en karabijn. Allotropie, van het Grieks. Allos - verschillend, tropos - beurt, eigenschap, bestaan van hetzelfde element in de vorm van structuren die verschillen in eigenschappen en structuur Momenteel is de vierde allotrope vorm van koolstof bekend, het zogenaamde fullereen (polyatomische koolstofmoleculen C n).
De oorsprong van de term "fullereen" wordt geassocieerd met de naam van de Amerikaanse architect Richard Buckminster Fuller, die halfbolvormige architecturale structuren ontwierp bestaande uit zeshoeken en vijfhoeken.
Halverwege de jaren zestig construeerde David Jones gesloten bolvormige kooien uit op een eigenaardige manier gevouwen grafietlagen. Er werd aangetoond dat een vijfhoek een defect kan zijn dat ingebed is in het hexagonale rooster van gewoon grafiet en leidt tot de vorming van een complex gekromd oppervlak.
Begin jaren zeventig suggereerde de organische fysicus E. Osawa het bestaan van een hol, zeer symmetrisch C 60-molecuul met een structuur in de vorm van een afgeknotte icosaëder, vergelijkbaar met een voetbal. Even later (1973) ontdekten de Russische wetenschappers D.A. Bochvar en E.G. Galperin maakte de eerste theoretische kwantumchemische berekeningen van zo'n molecuul en bewees de stabiliteit ervan.
In 1985 slaagde een team van wetenschappers: G. Kroto (Engeland, University of Sussex), Heath, 0"Brien, R.F. Curl en R. Smalley (VS, Rice University) erin een fullereenmolecuul te detecteren in de studie van massaspectra van grafietdamp na laserbestraling van een vast monster.
De eerste manier om vast kristallijn fullereen te verkrijgen en te isoleren werd in 1990 voorgesteld door W. Kretschmer en D. Huffman en collega's van het Instituut voor Kernfysica in Heidelberg (Duitsland).
In 1991 observeerde de Japanse wetenschapper Ijima voor het eerst verschillende structuren met behulp van een polaire ionenmicroscoop, die, zoals in het geval van grafiet, is samengesteld uit zesledige koolstofringen: nanobuisjes, kegeltjes, nanodeeltjes.
In 1992 werden natuurlijke fullerenen ontdekt in een natuurlijk koolstofmineraal - shungiet (dit mineraal dankt zijn naam aan de naam van het dorp Shunga in Karelië).
In 1997, R.E.
Laten we eens kijken naar de structuur van allotrope vormen van koolstof: diamant, grafiet en karabijn.
 |
|||
diamant - Elk koolstofatoom in de diamantstructuur bevindt zich in het midden van een tetraëder, waarvan de hoekpunten de vier dichtstbijzijnde atomen zijn. Naburige atomen zijn onderling verbonden door covalente bindingen (sp 3 hybridisatie). Deze structuur bepaalt de eigenschappen van diamant als de hardste stof die op aarde bekend is.
Grafiet vindt brede toepassing in een breed scala van gebieden van menselijke activiteit, van de vervaardiging van potlood leidt tot neutronenmoderatie-eenheden in kernreactoren. Koolstofatomen in de kristalstructuur van grafiet zijn onderling verbonden door sterke covalente bindingen (sp 2 - hybridisatie) en vormen zeshoekige ringen, die op hun beurt een sterk en stabiel gaas vormen dat lijkt op een honingraat. Rasters zijn in lagen boven elkaar aangebracht. De afstand tussen atomen die zich op de hoekpunten van regelmatige zeshoeken bevinden, is 0,142 nm., tussen lagen – 0,335nm. De lagen zijn losjes met elkaar verbonden. Zo'n structuur - sterke koolstoflagen, zwak met elkaar verbonden, bepaalt de specifieke eigenschappen van grafiet: lage hardheid en het vermogen om gemakkelijk te delamineren tot kleine vlokken.
Karabijn condenseert in de vorm van een witte koolstofafzetting op het oppervlak wanneer het pyrografiet wordt bestraald met een laserstraal. De kristallijne vorm van karabijn bestaat uit parallel georiënteerde ketens van koolstofatomen met sp-hybridisatie van valentie-elektronen in de vorm van rechte macromoleculen van polyyne (-С= С-С= С-...) of cumuleen (=С=С= С=...) typen .
Andere vormen van koolstof zijn ook bekend, zoals amorfe koolstof, witte koolstof (chaoiet), enz. Maar al deze vormen zijn composieten, dat wil zeggen een mengsel van kleine fragmenten van grafiet en diamant.
1.2.Geometrie van het fullereenmolecuul en het kristalrooster van fulleriet
Fig.3 Fullereen C6 molecuul 0
In tegenstelling tot diamant, grafiet en karabijn is fullereen in wezen een nieuwe vorm van koolstof. Het C 60-molecuul bevat fragmenten met vijfvoudige symmetrie (vijfhoeken), die van nature verboden zijn voor anorganische verbindingen. Daarom moet worden erkend dat het fullereenmolecuul een organisch molecuul is, en het kristal dat door dergelijke moleculen wordt gevormd ( fulleriet) – het is een moleculair kristal dat een schakel is tussen organische en anorganische materie.
Een plat oppervlak is gemakkelijk uit regelmatige zeshoeken te leggen, maar er kan geen gesloten oppervlak door worden gevormd. Om dit te doen, is het noodzakelijk om een deel van de zeshoekige ringen te knippen en vijfhoeken te vormen van de gesneden delen. Bij fullereen wordt een plat raster van zeshoeken (grafietraster) gevouwen en gestikt tot een gesloten bol. In dit geval worden sommige zeshoeken omgezet in vijfhoeken. Er wordt een structuur gevormd - een afgeknotte icosaëder, die 10 symmetrieassen van de derde orde heeft, zes symmetrieassen van de vijfde orde. Elk hoekpunt van deze figuur heeft drie naaste buren. Elke zeshoek grenst aan drie zeshoeken en drie vijfhoeken, en elke vijfhoek grenst alleen aan zeshoeken.Elk koolstofatoom in het C 60-molecuul bevindt zich op de hoekpunten van twee zeshoeken en één vijfhoek en is fundamenteel niet te onderscheiden van andere koolstofatomen. De koolstofatomen die de bol vormen, zijn aan elkaar gebonden door een sterke covalente binding. De dikte van de bolvormige schaal is 0,1 nm, de straal van het C60-molecuul is 0,357 nm. De lengte van de C-C-binding in de vijfhoek is 0,143 nm, in de zeshoek - 0,139 nm.
Moleculen van hogere fullerenen C 70 C 74 , C 76 , C 84 , C 164 , C 192 , C 216 hebben ook de vorm van een gesloten oppervlak.
Fullerenen met n< 60 оказались неустойчивыми, оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С 20 .
Kristallijn fullereen, dat fulleriet werd genoemd, heeft een vlakgecentreerd kubisch rooster (fcc), ruimtegroep (Fm3m). De kubische roosterparameter a 0 = 1,42 nm, de afstand tussen naaste buren is 1 nm. Het aantal naaste buren in het fcc-rooster van fulleriet is –12.
Er is een zwakke van der Waals-binding tussen C 60-moleculen in een fullerietkristal. Met behulp van de methode van kernspinresonantie werd bewezen dat bij kamertemperatuur de C 60-moleculen rond de evenwichtspositie roteren met een frequentie van 10 12 1/s. Wanneer de temperatuur daalt, vertraagt de rotatie. Bij 249K wordt een faseovergang van de eerste orde waargenomen in fulleriet, waarin het fcc-rooster (sp. gr. Fm3m) transformeert in een eenvoudige kubische (sp. gr. Pa3). In dit geval neemt het volume fulderiet toe met 1%. Een fullerietkristal heeft een dichtheid van 1,7 g/cm 3 , wat veel minder is dan de dichtheid van grafiet (2,3 g/cm 3 ) en diamant (3,5 g/cm 3 ).
Het C60-molecuul blijft stabiel in een inerte argonatmosfeer tot temperaturen in de orde van grootte van 1700 K. Significante oxidatie wordt waargenomen bij 500 K in aanwezigheid van zuurstof om CO en CO2 te vormen. Bij kamertemperatuur treedt oxidatie op bij bestraling met fotonen met een energie van 0,55 eV. wat veel lager is dan de fotonenergie van zichtbaar licht (1,54 eV). Daarom moet pure fulleriet in het donker worden bewaard. Het proces, dat enkele uren duurt, leidt tot de vernietiging van het fcc-rooster van fulleriet en de vorming van een ongeordende structuur waarin zich 12 zuurstofatomen per initieel C6-molecuul bevinden. In dit geval verliezen de fullerenen hun vorm volledig.
1.3. Fullerenen verkrijgen
De meest efficiënte manier om fullerenen te verkrijgen is gebaseerd op de thermische ontleding van grafiet. Zowel elektrolytische verwarming van de grafietelektrode als laserbestraling van het grafietoppervlak worden gebruikt. 4 toont een schema van een plant voor de productie van fullerenen, die werd gebruikt door W. Kretchmer. Grafiet sputteren wordt uitgevoerd door een stroom met een frequentie van 60 Hz door de elektroden te laten gaan, de stroom is van 100 tot 200 A, de spanning is 10-20 V. Door de spanning van de veer aan te passen, is het mogelijk om ervoor te zorgen dat het grootste deel van het ingangsvermogen komt vrij in de boog en niet in de grafietstaaf. De kamer is gevuld met helium, druk 100 Torr. De verdampingssnelheid van grafiet in deze installatie kan oplopen tot 10g/W. In dit geval is het oppervlak van de koperen behuizing, gekoeld door water, bedekt met het grafietverdampingsproduct, d.w.z. grafiet roet. Als het resulterende poeder wordt afgeschraapt en enkele uren in kokende tolueen wordt bewaard, wordt een donkerbruine vloeistof verkregen. Wanneer het wordt verdampt in een roterende verdamper, wordt een fijn poeder verkregen, het gewicht is niet meer dan 10% van het gewicht van het oorspronkelijke grafietroet.Het bevat tot 10% fullerenen C 60 (90%) en C 70 (10%). %) De beschreven boogmethode voor het verkrijgen van fullerenen werd genoemd "fullereenboog".
Bij de beschreven methode voor het verkrijgen van fullerenen speelt helium de rol van buffergas. In vergelijking met andere atomen "doven" heliumatomen op de meest effectieve manier de oscillerende bewegingen van aangeslagen koolstoffragmenten die voorkomen dat ze zich combineren tot stabiele structuren. Bovendien dragen heliumatomen de energie weg die vrijkomt wanneer koolstoffragmenten worden gecombineerd. De ervaring leert dat de optimale heliumdruk in het bereik van 100 Torr ligt. Bij hogere drukken is de aggregatie van koolstoffragmenten moeilijk.
Afb.4. Installatieschema voor het verkrijgen van fullerenen.
1 - grafietelektroden;
2 - gekoelde koperen bus; 3 - koperen behuizing,
4 - veren.
Veranderingen in procesparameters en installatieontwerp leiden tot veranderingen in procesefficiëntie en productsamenstelling. De kwaliteit van het product wordt zowel door massaspectrometrische metingen als door andere methoden (nucleaire magnetische resonantie, elektronenparamagnetische resonantie, IR-spectroscopie, enz.)
Een overzicht van momenteel bestaande methoden voor het verkrijgen van fullerenen en apparaten van installaties waarin verschillende fullerenen worden verkregen, wordt gegeven in het werk van G.N. Churilov.
Zuiverings- en detectiemethoden
De handigste en wijdverbreide methode voor het extraheren van fullerenen uit de producten van thermische ontleding van grafiet (termen: fullereenhoudend condensaat, fullerenenhoudend roet), evenals de daaropvolgende scheiding en zuivering van fullerenen, is gebaseerd op het gebruik van oplosmiddelen en sorptiemiddelen.
Deze methode omvat verschillende fasen. In de eerste fase wordt fullereenhoudend roet behandeld met een niet-polair oplosmiddel, namelijk benzeen, tolueen en andere stoffen. In dit geval worden fullerenen, die een aanzienlijke oplosbaarheid hebben in deze oplosmiddelen, gescheiden van de onoplosbare fractie, waarvan het gehalte in de fullereenbevattende fase gewoonlijk 70-80% is. De typische waarde van de oplosbaarheid van fullerenen in oplossingen die voor hun synthese worden gebruikt, is enkele tienden van een molprocent. Verdamping van de aldus verkregen fullereenoplossing leidt tot de vorming van een zwart polykristallijn poeder, dat een mengsel is van fullerenen van verschillende kwaliteit. Een typisch massaspectrum van een dergelijk product laat zien dat het fullereenextract 80-90% C60 en 10-15% C70 is. Bovendien is er een kleine hoeveelheid (op het niveau van fracties van een procent) hogere fullerenen, waarvan de isolatie uit het extract een vrij complex technisch probleem is. Het fullereenextract opgelost in een van de oplosmiddelen wordt door een sorptiemiddel geleid, dat aluminium, actieve kool of oxiden (Al 2 O 3 , SiO 2) met hoge sorptie-eigenschappen kan zijn. Fullerenen worden door dit metaal opgevangen en vervolgens met een zuiver oplosmiddel eruit gehaald. De extractie-efficiëntie wordt bepaald door de combinatie van sorptiemiddel-fullereen-oplosmiddel en hangt gewoonlijk, bij gebruik van een bepaald sorptiemiddel en oplosmiddel, duidelijk af van het type fullereen. Daarom wordt het oplosmiddel dat door het sorptiemiddel gaat met het fullereen erin geadsorbeerd, achtereenvolgens fullerenen van verschillende typen uit het sorptiemiddel geëxtraheerd, die dus gemakkelijk van elkaar kunnen worden gescheiden. Verdere ontwikkeling van de beschreven technologie voor het verkrijgen van de scheiding en zuivering van fullerenen, gebaseerd op de elektrische boogsynthese van fullereenhoudend roet en de daaropvolgende scheiding met sorptiemiddelen en oplosmiddelen, leidde tot de oprichting van installaties die het mogelijk maken C 60 te synthetiseren in de hoeveelheid van één gram per uur.
1.4 Eigenschappen van fullerenen
Kristallijne fullerenen en films zijn halfgeleiders met een bandafstand van 1,2-1,9 eV en hebben fotogeleiding. Bij bestraling met zichtbaar licht neemt de elektrische weerstand van een fullerietkristal af. Fotogeleiding is niet alleen in het bezit van puur fulleriet, maar ook van de verschillende mengsels ervan met andere stoffen. Er werd gevonden dat de toevoeging van kaliumatomen aan C60-films leidt tot het verschijnen van supergeleiding bij 19 K.
Fullereenmoleculen, waarin koolstofatomen aan elkaar zijn gekoppeld door zowel enkele als dubbele bindingen, zijn driedimensionale analogen van aromatische structuren. Ze hebben een hoge elektronegativiteit en werken in chemische reacties als sterke oxidatiemiddelen. Door radicalen van verschillende chemische aard aan zichzelf te binden, kunnen fullerenen een brede klasse chemische verbindingen vormen met verschillende fysisch-chemische eigenschappen. Zo zijn er onlangs polyfullereenfilms verkregen waarin C60-moleculen aan elkaar zijn gekoppeld, niet door van der Waals, zoals in een fullerietkristal, maar door chemische interactie. Deze plastic films zijn een nieuw type polymeermateriaal. Er zijn interessante resultaten bereikt in de richting van de synthese van polymeren op basis van fullerenen. In dit geval dient het fullereen C 60 als basis van de polymeerketen en wordt de verbinding tussen de moleculen uitgevoerd met behulp van benzeenringen. Deze structuur heeft de figuurlijke naam "parelsnoer" gekregen.
De toevoeging van radicalen die metalen uit de platinagroep bevatten aan C 60 maakt het mogelijk om ferromagnetische materialen op basis van fullereen te verkrijgen. Het is nu bekend dat meer dan een derde van de elementen van het periodiek systeem in een molecuul kan worden geplaatst. Vanaf 60 . Er zijn meldingen van de introductie van atomen van lanthaan, nikkel, natrium, kalium, rubidium, cesium, atomen van zeldzame aardmetalen zoals terbium, gadolinium en dysprosium.
De verscheidenheid aan fysisch-chemische en structurele eigenschappen van verbindingen op basis van fullerenen maakt het mogelijk om te spreken van fullereenchemie als een nieuwe veelbelovende richting in de organische chemie.
1.5. Toepassing van fullerenen
Momenteel bespreekt de wetenschappelijke literatuur het gebruik van fullerenen voor het maken van fotodetectoren en opto-elektronische apparaten, groeikatalysatoren, diamant en diamantachtige films, supergeleidende materialen, en ook als kleurstoffen voor kopieerapparaten. Fullerenen worden gebruikt voor de synthese van metalen en legeringen met nieuwe eigenschappen.
Het is de bedoeling dat fullerenen worden gebruikt als basis voor de productie van batterijen. Deze batterijen, waarvan het principe is gebaseerd op de reactie van toevoeging van waterstof, zijn in veel opzichten vergelijkbaar met de veelgebruikte nikkelbatterijen, maar in tegenstelling tot de laatstgenoemde hebben ze het vermogen om ongeveer vijf keer de specifieke hoeveelheid waterstof op te slaan. Bovendien worden dergelijke batterijen gekenmerkt door een hogere efficiëntie, een lager gewicht en een grotere veiligheid voor het milieu en de gezondheid in vergelijking met de meest geavanceerde op lithium gebaseerde batterijen in termen van deze eigenschappen. Dergelijke batterijen kunnen op grote schaal worden gebruikt om personal computers en gehoorapparaten van stroom te voorzien.
Oplossingen van fullerenen in niet-polaire oplosmiddelen (koolstofdisulfide, tolueen, benzeen, koolstoftetrachloride, decaan, hexaan, pentaan) worden gekenmerkt door niet-lineaire optische eigenschappen, die zich met name manifesteren in een scherpe afname van de transparantie van de oplossing onder bepaalde voorwaarden. Dit opent de mogelijkheid om fullerenen te gebruiken als basis voor optische sluiters die de intensiteit van laserstraling beperken.
Er is een vooruitzicht om fullerenen te gebruiken als basis voor het creëren van een geheugenmedium met een ultrahoge informatiedichtheid. Fullerenen kunnen worden gebruikt als additieven voor raketbrandstoffen en smeermiddelen.
Veel aandacht wordt besteed aan het probleem van het gebruik van fullerenen in de geneeskunde en farmacologie. Het idee om geneesmiddelen tegen kanker te maken op basis van in water oplosbare endohedrale verbindingen van fullerenen met radioactieve isotopen wordt besproken. ( Endohedrale verbindingen zijn fullereenmoleculen die een of meer atomen van een element bevatten). De voorwaarden voor de synthese van antivirale middelen en geneesmiddelen tegen kanker op basis van fullerenen zijn gevonden. Een van de moeilijkheden bij het oplossen van deze problemen is het creëren van in water oplosbare, niet-toxische fullereenverbindingen die in het menselijk lichaam kunnen worden ingebracht en door het bloed kunnen worden afgeleverd aan het orgaan waarop therapeutische werking van toepassing is.
Het gebruik van fullerenen wordt beperkt door hun hoge kosten, die bestaan uit de bewerkelijkheid van het verkrijgen van een fullereenmengsel en het isoleren van individuele componenten daaruit.
1.6 Koolstof nanobuisjes
Structuur van nanobuisjes
Naast bolvormige koolstofstructuren kunnen ook verlengde cilindrische structuren, de zogenaamde nanobuisjes, worden gevormd, die zich onderscheiden door een grote verscheidenheid aan fysisch-chemische eigenschappen.
Een ideale nanobuis is een grafietvlak dat in een cilinder is gerold, d.w.z. een oppervlak bekleed met regelmatige zeshoeken, op de hoekpunten waarvan zich koolstofatomen bevinden ..).
De parameter die de coördinaten van de zeshoek aangeeft, die als gevolg van het vouwen van het vlak zou moeten samenvallen met de zeshoek die zich aan de oorsprong van de coördinaten bevindt, wordt de chiraliteit van de nanobuis genoemd en wordt aangegeven door de reeks symbolen (m , n). De chiraliteit van een nanobuis bepaalt de elektrische eigenschappen ervan.
Waarnemingen met een elektronenmicroscoop hebben aangetoond dat de meeste nanobuisjes uit verschillende grafietlagen bestaan, ofwel genest in elkaar of rond een gemeenschappelijke as gewonden.
Enkelwandige nanobuisjes
Op de rijst. vier een geïdealiseerd model van een enkelwandige nanobuis wordt gepresenteerd. Zo'n buis eindigt met halfbolvormige hoekpunten die samen met
met regelmatige zeshoeken, ook zes regelmatige vijfhoeken. De aanwezigheid van vijfhoeken aan de uiteinden van de buizen maakt het mogelijk om ze te beschouwen als het grensgeval van fullereenmoleculen, waarvan de lengte van de lengteas aanzienlijk groter is dan hun diameter.
De structuur van enkelwandige nanobuisjes die experimenteel zijn waargenomen, verschilt in veel opzichten van het hierboven gepresenteerde geïdealiseerde beeld. Allereerst gaat het om de toppen van de nanobuis, waarvan de vorm, zo blijkt uit waarnemingen, verre van een ideale halve bol is.
Meerlaagse nanobuisjes
Meerlaagse nanobuisjes verschillen van enkellaagse nanobuisjes in een veel grotere verscheidenheid aan vormen en configuraties, zowel in de lengterichting als in de dwarsrichting. Mogelijke variëteiten van de dwarsstructuur van meerlaagse nanobuisjes worden getoond in rijst. 5. Structuur zoals "Russische poppen" (Russische poppen) is een set coaxiaal geneste enkellaagse nanobuisjes (rijst 5a). Een andere variant van deze structuur, getoond in rijst. 5b, is een stel geneste coaxiale prisma's. Ten slotte is de laatste van de bovenstaande structuren ( rijst. 5c), lijkt op een rol. Voor alle bovenstaande structuren is de afstand tussen aangrenzende grafietlagen bijna 0,34 nm, d.w.z. de afstand tussen aangrenzende vlakken van kristallijn grafiet. De realisatie van de ene of de andere structuur in een specifieke experimentele situatie hangt af van de omstandigheden van de synthese van nanobuisjes.
Er moet rekening mee worden gehouden dat de geïdealiseerde dwarsstructuur van nanobuizen, waarbij de afstand tussen aangrenzende lagen dicht bij 0,34 nm ligt en niet afhankelijk is van de axiale coördinaat, in de praktijk wordt vervormd door het storende effect van naburige nanobuizen.
De aanwezigheid van defecten leidt ook tot een vervorming van de rechtlijnige vorm van de nanobuis en geeft deze de vorm van een accordeon.
Een ander soort defecten, vaak waargenomen op het grafietoppervlak van meerlaagse nanobuisjes, wordt geassocieerd met de introductie van een bepaald aantal vijfhoeken of zevenhoeken in het oppervlak, dat voornamelijk bestaat uit regelmatige zeshoeken. Dit leidt tot een schending van de cilindrische vorm, waarbij de introductie van een vijfhoek een convexe bocht veroorzaakt, terwijl de introductie van een zevenhoek bijdraagt aan het verschijnen van een concave bocht. Dergelijke defecten veroorzaken dus het verschijnen van gebogen en spiraalvormige nanobuisjes.
Structuur van nanodeeltjes
Tijdens de vorming van fullerenen uit grafiet worden ook nanodeeltjes gevormd. Dit zijn gesloten structuren die lijken op fullerenen, maar veel groter zijn dan zij. In tegenstelling tot fullerenen kunnen ze, net als nanobuisjes, meerdere lagen bevatten en hebben ze de structuur van gesloten, geneste grafietschillen.
In nanodeeltjes, vergelijkbaar met grafiet, zijn de atomen in de schaal verbonden door chemische bindingen en is er een zwakke van der Waals-interactie tussen de atomen van naburige schalen. Meestal hebben schillen van nanodeeltjes een vorm die dicht bij een veelvlak ligt. In de structuur van elk van deze schalen zijn er naast zeshoeken, zoals in de structuur van grafiet, 12 vijfhoeken, extra paren van vijf en zevenhoeken worden waargenomen. Een elektronenmicroscopische studie van de vorm en structuur van koolstofdeeltjes in een fullereenbevattend condensaat is onlangs uitgevoerd in de werken van Jarkov S.M., Kashkin V.B.
Het verkrijgen van koolstof nanobuisjes
Koolstofnanobuisjes worden gevormd door thermisch sputteren van een grafietelektrode in een boogontlading die plasma verbrandt in een heliumatmosfeer. Deze methode, evenals de lasersputtermethode, die ten grondslag ligt aan de efficiënte technologie voor het verkrijgen van fullerenen, maakt het mogelijk om nanobuisjes te verkrijgen in een hoeveelheid die voldoende is voor een gedetailleerde studie van hun fysisch-chemische eigenschappen.
Een nanobuis kan worden verkregen uit verlengde grafietfragmenten, die vervolgens tot een buis worden gedraaid. Voor de vorming van verlengde fragmenten zijn speciale voorwaarden voor het verwarmen van grafiet vereist. De optimale omstandigheden voor het verkrijgen van nanobuisjes worden gerealiseerd in een boogontlading met behulp van elektrolytisch grafiet als elektroden.
Van de verschillende producten van thermisch sputteren van grafiet (fullerenen, nanodeeltjes, roetdeeltjes) bestaat een klein deel (enkele procenten) uit meerlagige nanobuisjes, die gedeeltelijk zijn vastgemaakt aan de koude oppervlakken van de installatie, gedeeltelijk op het oppervlak zijn afgezet langs met roet.
Enkelwandige nanobuisjes worden gevormd wanneer een klein mengsel van Fe, Co, Ni, Cd aan de anode wordt toegevoegd (d.w.z. door toevoeging van katalysatoren). Bovendien worden enkelwandige nanobuisjes verkregen door meerwandige nanobuisjes te oxideren. Voor oxidatie worden meerlagige nanobuisjes behandeld met zuurstof bij matige verwarming, of met kokend salpeterzuur, en in het laatste geval worden vijfledige grafietringen verwijderd, waardoor de uiteinden van de buisjes opengaan. om de bovenste lagen van de meerlagige buis te verwijderen en de uiteinden te openen. Aangezien de reactiviteit van nanodeeltjes hoger is dan die van nanobuisjes, neemt de fractie nanobuisjes in het resterende deel ervan toe met een aanzienlijke vernietiging van het koolstofproduct als gevolg van oxidatie.
Bij de elektrische boogmethode om fullerenen te verkrijgen, wordt een deel van het materiaal dat wordt vernietigd onder invloed van de grafietanodeboog afgezet op de kathode. Tegen het einde van het vernietigingsproces van de grafietstaaf groeit deze formatie zo sterk dat deze het hele gebied van de boog bedekt. Deze uitgroei heeft de vorm van een kom, waarin de anode wordt ingebracht. De fysische eigenschappen van de opbouw van de kathode verschillen sterk van de eigenschappen van het grafiet waaruit de anode is samengesteld. De opgebouwde microhardheid is 5,95 GPa (grafiet -0,22 GPa), de opbouwdichtheid is 1,32 g/cm 3 (grafiet -2,3 g/cm 3), de opgebouwde elektrische weerstand is 1,4 * 10 -4 Ohm m , wat bijna een orde van grootte groter is dan die van grafiet (1,5 * 10 -5 ohm m). Bij 35 K werd een abnormaal hoge magnetische gevoeligheid van de opbouw op de kathode gevonden, waardoor kon worden aangenomen dat de opbouw voornamelijk uit nanobuisjes bestaat (Belov N.N.).
Eigenschappen van nanobuisjes
Brede perspectieven voor het gebruik van nanobuisjes in de materiaalwetenschap openen zich wanneer supergeleidende kristallen (bijv. TaC) worden ingekapseld in koolstofnanobuisjes. De volgende technologie wordt beschreven in de literatuur. We gebruikten een DC-boogontlading van ~ 30 A bij een spanning van 30 V in een heliumatmosfeer met elektroden die een samengeperst mengsel waren van thalliumpoeder met een grafietpigment. De afstand tussen de elektroden was 2-3 mm. Met behulp van een tunneling-elektronenmicroscoop werd een aanzienlijke hoeveelheid TaC-kristallen ingekapseld in nanobuisjes gevonden in de producten van thermische ontleding van het elektrodemateriaal.. X De typische dwarsafmeting van kristallieten was ongeveer 7 nm en de typische lengte van nanobuisjes was meer dan 200 nm. De nanobuizen waren meerlagige cilinders met een afstand tussen de lagen van 0,3481 ± 0,0009 nm, dicht bij de overeenkomstige parameter voor grafiet. Meting van de temperatuurafhankelijkheid van de magnetische gevoeligheid van de monsters toonde aan dat de ingekapselde nanokristallen transformeren insupergeleidende toestand bij T=10K.
De mogelijkheid om supergeleidende kristallen te verkrijgen die zijn ingekapseld in nanobuisjes, maakt het mogelijk om ze te isoleren van de schadelijke effecten van de externe omgeving, bijvoorbeeld van oxidatie, waardoor de weg wordt geopend naar een efficiëntere ontwikkeling van de overeenkomstige nanotechnologieën.
De grote negatieve magnetische gevoeligheid van nanobuisjes geeft hun diamagnetische eigenschappen aan. Aangenomen wordt dat het diamagnetisme van nanobuizen het gevolg is van de stroom van elektronenstromen langs hun omtrek. De waarde van de magnetische susceptibiliteit hangt niet af van de oriëntatie van het monster, die verband houdt met zijn ongeordende structuur. De relatief grote waarde van de magnetische susceptibiliteit geeft aan dat deze waarde, in ieder geval in één van de richtingen, vergelijkbaar is met de corresponderende waarde voor grafiet. Het verschil tussen de temperatuurafhankelijkheid van de magnetische gevoeligheid van nanobuisjes en de overeenkomstige gegevens voor andere vormen van koolstof geeft aan dat koolstofnanobuisjes een afzonderlijke onafhankelijke vorm van koolstof zijn, waarvan de eigenschappen fundamenteel verschillen van de eigenschappen van koolstof in andere toestanden..
Toepassingen van nanobuisjes
Veel technologische toepassingen van nanobuisjes zijn gebaseerd op hun hoge specifieke oppervlakte (in het geval van een enkellaags nanobuisje ongeveer 600 vierkante meter per 1/g), wat de mogelijkheid opent om ze te gebruiken als poreus materiaal in filters, enz. .
Het materiaal van nanobuisjes kan met succes worden gebruikt als dragersubstraat voor heterogene katalyse, en de katalytische activiteit van open nanobuisjes overschrijdt aanzienlijk de overeenkomstige parameter voor gesloten nanobuisjes.
Het is mogelijk om nanobuisjes met een hoog specifiek oppervlak te gebruiken als elektrode voor elektrolytische condensatoren met een hoog specifiek vermogen.
Koolstofnanobuisjes hebben zich goed bewezen in experimenten met hun gebruik als coating die de vorming van een diamantfilm bevordert. Zoals de foto's genomen met een elektronenmicroscoop laten zien, verschilt de diamantfilm die is afgezet op de nanobuisfilm ten goede in termen van dichtheid en uniformiteit van de kernen van de film die is afgezet op C60 en C70.
Zulke eigenschappen van een nanobuis als zijn kleine formaat, dat aanzienlijk varieert afhankelijk van de syntheseomstandigheden, elektrische geleidbaarheid, mechanische sterkte en chemische stabiliteit maken het mogelijk om een nanobuis te beschouwen als basis voor toekomstige elementen van micro-elektronica. Door berekening is bewezen dat de introductie van een vijfhoek-heptagon-paar in de ideale structuur van een nanobuis als een defect de elektronische eigenschappen ervan verandert. Een nanobuis met een ingebed defect kan worden beschouwd als een metaal-halfgeleider heterojunctie, die in principe de basis kan vormen van een halfgeleiderelement van recordbrekende kleine afmetingen.
Nanobuizen kunnen dienen als basis van het dunste meetinstrument dat wordt gebruikt om oppervlakte-inhomogeniteiten van elektronische schakelingen te controleren.
Interessante toepassingen kunnen worden verkregen door nanobuisjes te vullen met verschillende materialen. In dit geval kan een nanobuis zowel worden gebruikt als een drager van het materiaal dat het vult, als als een isolerende schaal die dit materiaal beschermt tegen elektrisch contact of tegen chemische interactie met omringende objecten.
CONCLUSIE
Hoewel fullerenen een korte geschiedenis hebben, ontwikkelt dit wetenschapsgebied zich snel en trekt het steeds meer nieuwe onderzoekers aan. Dit wetenschapsgebied omvat drie gebieden: fullereenfysica, fullereenchemie en fullereentechnologie.
Fysica van fullerenen houdt zich bezig met de studie van structurele, mechanische, elektrische, magnetische, optische eigenschappen van fullerenen en hun verbindingen in verschillende fasetoestanden. Dit omvat ook de studie van de aard van de interactie tussen koolstofatomen in deze verbindingen, de spectroscopie van fullereenmoleculen, de eigenschappen en structuur van systemen bestaande uit fullereenmoleculen. Fullereenfysica is de meest geavanceerde tak op het gebied van fullerenen.
Chemie van fullerenen geassocieerd met de creatie en studie van nieuwe chemische verbindingen, die zijn gebaseerd op gesloten koolstofmoleculen, en bestudeert ook de chemische processen waaraan ze deelnemen. Opgemerkt moet worden dat dit gebied van de chemie qua concepten en onderzoeksmethoden in veel opzichten fundamenteel verschilt van de traditionele chemie.
Fullereen technologie omvat zowel de productiemethoden van fullereen als hun verschillende toepassingen.
BIBLIOGRAFIE
1. Sokolov V. I., Stankevich I. V. Fullerenen - nieuwe allotrope vormen van koolstof: structuur, elektronische structuur en chemische eigenschappen // Advances in Chemistry, deel 62 (5), blz. 455, 1993.
2. Nieuwe richtingen in onderzoek naar fullereen//UFN, v. 164 (9), p. 1007, 1994.
3. Eletsky A.V., Smirnov B.M. Fullerenen en structuren van koolstof//UFN, v. 165 (9), blz. 977, 1995.
4. Zolotukhin I.V. Fulleriet is een nieuwe vorm van koolstof // SOZH nr. 2, blz. 51, 1996.
5. Masterov V.F. Fysische eigenschappen van fullerenen / / SOZH nr. 1, blz. 92, 1997.
6. Lozovik Yu.V., Popov A.M. Vorming en groei van koolstof nanostructuren - fullerenen, nanodeeltjes, nanobuisjes en kegeltjes//UFN, v. 167 (7), p. 151, 1997/
7. Eletsky A.V. .Koolstof nanobuisjes//UFN, v.167(9), p.945, 1997.
8. Smalley RE Fullerenen ontdekken//UFN, v.168 (3), p.323, 1998.
9. Churilov G.N. Overzicht van methoden voor het verkrijgen van fullerenen // Materialen van de 2e interregionale conferentie met internationale deelname "Ultrafijne poeders, nanostructuren, materialen", Krasnoyarsk, KSTU, 5-7 oktober 1999. Met. 77-87.
10. Belov N.N. et al. Structuur van het oppervlak van de kathodeopbouw gevormd tijdens de synthese van fullerenen // Aerosols vol. 4f, N1, 1998, pp. 25-29
11. S. M. Jarkov,. Titarenko Ya.N., Churilov G.N. Elektronenmicroscopie bestudeert FCC-koolstofdeeltjes// Carbon, v. 36, nr. 5-6, 1998, p. 595-597
12. Kashkin V.B., Rubleva T.V., Kashkina L.V., Mosin R.A. Digitale verwerking van elektronenmicroscopische beelden van koolstofdeeltjes in fullereenhoudend roet // Proceedings van de 2e interregionale conferentie met internationale deelname "Ultrafine powders, nanostructures, materials", Krasnoyarsk, KSTU, 5-7 oktober 1999. Met. 91-92
In 1985 werd een molecuul ontdekt bestaande uit 60 koolstofatomen, gerangschikt als een voetbal, - fullereen, genoemd naar de ingenieur Richard Fuller, die beroemd werd door ontwerpen van precies zo'n vorm. Naast zijn verbazingwekkend symmetrische vorm, bleek dit molecuul, dat de derde (na diamant en grafiet) allotrope vorm van koolstof is, een soort steen der wijzen voor alchemisten te zijn.
Tot voor kort bleef het wetenschappers verbazen met zijn extreem lage toxiciteit (vooral in vergelijking met iets dat lijkt op nanobuisjes) en andere verbazingwekkende eigenschappen. De mechanismen van interactie van fullerenen met cellen zijn nog niet duidelijk, maar het resultaat kan echt magie worden genoemd.
Hier is een verre van volledige lijst van die eigenschappen die artsen en biologen interesseerden. Fullereen en zijn derivaten kunnen worden gebruikt:
- om het lichaam te beschermen tegen straling en ultraviolette straling;
- ter bescherming tegen virussen en bacteriën;
- ter bescherming tegen allergieën. Bij experimenten in vivo remt de introductie van fullereenderivaten dus anafylaxie bij muizen en wordt geen toxisch effect waargenomen;
- als stof die het immuunsysteem stimuleert;
- als krachtige antioxidant omdat het een actieve radicalenvanger is. De antioxiderende werking van fullereen is vergelijkbaar met de werking van antioxidanten van de SkQ-klasse ("Skulachev-ionen") en is 100-1000 keer hoger dan de werking van conventionele antioxidanten zoals vitamine E, butylhydroxytolueen, β-caroteen;
- als medicijnen om kanker te bestrijden;
- om angiogenese te remmen;
- om de hersenen te beschermen tegen alcohol;
- om de groei van zenuwen te stimuleren;
- om huidregeneratieprocessen te stimuleren. Zo is fullereen een belangrijk bestanddeel van cosmetische verjongingsmiddelen GRS en CEFINE;
- om de haargroei te stimuleren;
- als een anti-amyloïde medicijn.
Bovendien kan fullereen worden gebruikt voor de afgifte van verschillende geneesmiddelen in de cel en voor niet-virale afgifte van genetische vectoren in de celkern.
Het lijkt erop dat deze lijst verder kan worden uitgebreid, maar onlangs is deze aangevuld met nog een, misschien wel de meest verbazingwekkende en onbegrijpelijke kwaliteit van C60 fullereen. In een onderzoek naar de toxiciteit van C60-fullereen opgelost in olijfolie, ontdekten Franse onderzoekers dat ratten die regelmatig C60-fullereenoplossing kregen langer leefden dan ratten die alleen olijfolie of een normaal dieet kregen. (Een korte hervertelling is te vinden in het artikel "Olijfolie met fullerenen - een elixer van de jeugd?" - VM.)
Oplossen in olie verhoogt de efficiëntie van C60-fullereen sterk, omdat de grote aggregaten (16 of meer moleculen) niet in staat zijn om in cellen te dringen.
Tegelijkertijd steeg de levensverwachting niet met zo'n 20-30%, zoals in experimenten met de beste "medicijnen voor ouderdom" (zoals resveratrol of rapamycine), maar niet minder dan twee keer! De helft van de met fullereen behandelde dieren leefde tot 60 maanden (de oudste rat werd 5,5 jaar). Tegelijkertijd was in de controlegroep (met een normaal dieet) de levensverwachting van 50% van de dieren 30 maanden, en de oudste slechts 37 maanden. Dieren die werden behandeld met fullereenvrije olijfolie leefden iets langer - 50% van hen leefde tot 40 maanden en de oudste rat leefde tot 58 maanden.
Overlevingsdiagram van ratten behandeld met: normale voeding (blauwe lijn), naast de voeding olijfolie (rood) en olijfolie met C60 fullereen erin opgelost (zwarte lijn). Tekenen van .
Het levengevende effect van C60 fullereen wordt door de auteurs van het artikel toegeschreven aan de antioxiderende eigenschappen. Het is echter mogelijk dat het verband houdt met het vermogen van C60-fullereen om te interageren met vitamine A. Het is bekend dat retinoïden (waaronder vitamine A) een belangrijke rol spelen bij de expressie van sleutelgenen van het immuunsysteem en dat lokale synthese van retinoïden een sleutelrol lijkt te spelen bij de regulatie van embryogenese en regeneratie.
Helaas zijn deze experimenten uitgevoerd op kleine groepen dieren en vereisen daarom zorgvuldige verificatie. Gezien het feit dat gezuiverd C60-fullereen, geproduceerd in Rusland, slechts ongeveer 1800 roebel per gram kost, is het niet zo moeilijk om deze experimenten te herhalen, de doseringen en de duur van de "behandeling" te verduidelijken. De andere is moeilijker. Zal deze "ouderdomstherapie" net zo effectief zijn voor mensen? Mensen zijn tenslotte geen ratten, en er zijn tientallen voorbeelden van een medicijn dat zeer effectief is in experimenten met muizen, maar volkomen nutteloos (zo niet schadelijk!) bleek te zijn toen de proeven naar de kliniek verhuisden. Nou, de tijd zal het leren. Het zou ook interessant zijn om de levensverlengende activiteit van C60-fullereen te vergelijken met de talrijke in water oplosbare analogen die zeer recentelijk in Rusland zijn gesynthetiseerd.
Gebaseerd op het originele artikel.
Literatuur
- AV Yeletsky, B.M. Smirnov. (1993). Fullerenen. UFN 163 (nr. 2), 33-60;
- Mori T. et al. (2006). Preklinische studies over de veiligheid van fullereen bij acute orale toediening en evaluatie voor geen mutagenese. Toxicologie 225, 48-54;
- Szwarc H, Moussa F. (2011). Toxiciteit van 60fullereen: verwarring in de wetenschappelijke literatuur. J. Nanosci. Lett. 1, 61-62;
- biomolecuul: "Onzichtbare grens: waar "nano" en "bio" botsen";
- Marega R., Giust D., Kremer A., Bonifazi D. (2012). Supramoleculaire chemie van fullerenen en koolstofnanobuisjes op interfaces: op weg naar toepassingen. Supramoleculaire chemie van fullerenen en koolstofnanobuisjes (eds N. Martin en J.-F. Nierengarten), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Duitsland;
- Piotrovsky LB (2010). Nanogeneeskunde als onderdeel van nanotechnologieën. Vestnik RAMN 3, 41–46;
- Theriot CA, Casey RC, Moore VC, Mitchell L., Reynolds JO, Burgoyne M., et al. (2010). Dendrofullereen DF-1 biedt stralingsbescherming aan radiogevoelige zoogdiercellen. Straal. Omgeving. Biophys. 49, 437-445;
- Andrievsky G.V., Bruskov V.I., Tykhomyrov A.A., Gudkov S.V. (2009). Eigenaardigheden van de antioxiderende en radioprotectieve effecten van gehydrateerde C60 fullereen nanostructuren in vitro en in vivo. Vrije radicalen. Biol. Med. 47, 786-793;
- Mashino T., Shimotohno K., Ikegami N., et al. (2005). Humaan immunodeficiëntievirus-reverse transcriptase-remming en hepatitis C-virus RNA-afhankelijke RNA-polymerase-remmingsactiviteiten van fullereenderivaten. Bioorg. Med. Chem. Lett. 15, 1107-1109;
- Lu ZS, Dai TH, Huang LY, et al. (2010). Fotodynamische therapie met een kationisch gefunctionaliseerd fullereen redt muizen van dodelijke wondinfecties. Nanogeneeskunde 5, 1525-1533;
- John J.R., Bateman H.R., Stover A., Gomez G., Norton SK, Zhao W., et al. (2007). Fullereen nanomaterialen remmen de allergische reactie. J. Immunol. 179, 665-672;
- Xu YY, Zhu JD, Xiang K., Li YK, Sun RH, Ma J., et al. (2011). Synthese en immunomodulerende activiteit van 60 fullereen-tuftsin-conjugaten. Biomaterialen 32, 9940-9949;
- Gharbi N., Pressac M., Hadchouel M. et al. (2005). Fullereen is een krachtige antioxidant in vivo zonder acute of subacute toxiciteit. Nano lett. 5, 2578-2585;
- Chen Z., Ma L., Liu Y., Chen C. (2012). Toepassingen van gefunctionaliseerde fullerenen in tumortherapie. Theranostics 2, 238-250;
- Jiao F., Liu Y., Qu Y. et al. (2010). Studies naar antitumor- en antimetastatische activiteiten van fullerenol in een borstkankermodel bij muizen. Koolstof 48, 2231-2243;
- Meng H., Xing GM, Sun BY, Zhao F., Lei H., Li W., et al. (2010). Krachtige remming van angiogenese door de deeltjesvorm van fullereenderivaten. ACS Nano, 4, 2773-2783;
- Tychomyrov A.A., Nedzvetsky V.S., Klochkov V.K., Andrievsky G.V. (2008). Nanostructuren van gehydrateerd C60-fullereen (C60HyFn) beschermen de hersenen van ratten tegen de invloed van alcohol en verminderen gedragsstoornissen van dieren die onder invloed zijn van alcohol. Toxicologie 246, 158-165;
- Grigoriev V.V., Petrova LN, Ivanova T.A., et al. en Bachurin S.O. (2011). Studie van het neuroprotectieve effect van hybride structuren op basis van C60 fullereen. Izv. RAS biologische serie 2, 163-170;
- Zhou Z.G., Lenk R., Dellinger A., MacFarland D., Kumar K., Wilson S.R., et al. (2009). Nanomaterialen van fullereen versterken de haargroei. nanomed. Nanotechnologie. Biol. Med. 5, 202-207;
- Bobylev AG, Kornev AB, Bobyleva LG, Shpagina MD, Fadeeva IS, Fadeev RS, et al. (2011). Fullerenolaten: gemetalliseerde polyhydroxyfullerenen met krachtige antiamyloïde activiteit. Org. Biomol. Chem. 9, 5714-5719;
- biomolecuul: "Nanogeneeskunde van de toekomst: transdermale toediening met behulp van nanodeeltjes";
- Montellano A., Da Ros T., Bianco A., Prato M. (2011). Fullereen C(60) als een multifunctioneel systeem voor medicijn- en genafgifte. Nanoschaal 3, 4035-4041;
- Kuznetsova SA, Oretskaya TS (2010). Nanotransportsystemen voor gerichte levering van nucleïnezuren in cellen. Russische nanotechnologieën 5 (nr. 9–10), 40–52;
- Baati T., Bourasset F., Gharb N., et al. (2012) De verlenging van de levensduur van ratten door herhaalde orale toediening van 60fullereen. Biomaterialen 33, 4936-4946;
- Piotrovsky LB, Eropkin M.Yu., Eropkina EM, Dumpis M.A., Kiselev O.I. (2007). Mechanismen van de biologische werking van fullerenen - afhankelijkheid van de aggregatietoestand. Psychofarmacologie en biologische narcologie 7 (nr. 2), 1548-1554;
- Moussa F., Roux S., Pressac M., Genin E., Hadchouel M., Trivin F., et al. (1998). In vivo reactie tussen 60fullereen en vitamine A in muizenlever. Nieuwe J.Chem. 22, 989-992;
- Linney E., Donerly S., Mackey L., Dobbs-McAuliffe B. (2001). De negatieve kant van retinoïnezuurreceptoren. Neurotoxicol Teratol. 33, 631-640;
- Gudas L.J. (2012). Opkomende rollen voor retinoïden bij regeneratie en differentiatie in normale en ziektetoestanden. Biochim Biophys Acta 1821, 213-221.
Portaal "Eeuwige Jeugd"
fullerenen in de meest algemene zin van dit concept kan men experimenteel verkregen en hypothetische moleculen noemen die uitsluitend uit koolstofatomen bestaan en de vorm hebben van convexe veelvlakken. Koolstofatomen bevinden zich op hun hoekpunten en C-C-bindingen lopen langs de randen.
Fullereen is de moleculaire vorm van koolstof. Een gangbare definitie is dat fullerenen, die zich in de vaste toestand bevinden, worden genoemd fullerieten. De kristalstructuur van fulleriet is een periodiek rooster van fullereenmoleculen, en in kristallijn fulleriet vormen fullereenmoleculen een fcc-rooster.
Fullereen is sinds het begin van de jaren negentig van belang voor astronomie, natuurkunde, biologie, scheikunde, geologie en andere wetenschappen. Fullereen wordt gecrediteerd voor fantastische medische eigenschappen: zo wordt beweerd dat fullereen al in cosmetica wordt gebruikt als een verjongend middel in de cosmetologie. Met behulp van fullereen gaan ze kanker, hiv en andere formidabele ziekten bestrijden. Tegelijkertijd laten de nieuwheid van deze gegevens, hun kleine studie en de specifieke kenmerken van de moderne informatieruimte het nog niet voor honderd procent toe om dergelijke informatie over fullereen te vertrouwen.
ICM (www.website)
Een sterk vereenvoudigd standpunt is wijdverbreid dat er vóór de ontdekking van fullereen twee polymorfe modificaties van koolstof waren - grafiet en diamant, en na 1990 werd er nog een allotrope vorm van koolstof aan toegevoegd. In feite is dit niet zo, omdat de bestaansvormen van koolstof verrassend divers zijn (zie artikel). 
De geschiedenis van de ontdekking van fullerenen
Een team van auteurs onder leiding van L.N. Sidorova vatte in de monografie "Fullerenen" een groot aantal werken over dit onderwerp samen, hoewel lang niet allemaal: tegen de tijd dat het boek werd gepubliceerd, bedroeg het totale aantal publicaties gewijd aan fullerenen ongeveer 15 duizend. Volgens de auteurs ontdekking van fullerenen- een nieuwe vorm van bestaan van koolstof - een van de meest voorkomende elementen op onze planeet - wordt erkend als een van de belangrijkste ontdekkingen in de wetenschap van de 20e eeuw. Ondanks het al lang bekende unieke vermogen van koolstofatomen om zich te binden tot complexe vertakte en volumineuze moleculaire structuren, wat de basis is van alle organische chemie, bleek de mogelijkheid om stabiele raamwerkmoleculen te vormen uit slechts één koolstof nog steeds onverwacht. Volgens de gegevens werd in 1985 experimentele bevestiging verkregen dat moleculen van dit type van 60 of meer atomen kunnen ontstaan in de loop van natuurlijk voorkomende processen in de natuur, maar lang daarvoor werd al aangenomen dat moleculen met een gesloten koolstofbol stabiel waren .
Detectie van fullereen direct gerelateerd aan de studie van de processen van sublimatie en condensatie van koolstof.
Nieuwe etappe binnen fullerenen kwam in 1990, toen een methode werd ontwikkeld voor het verkrijgen van nieuwe verbindingen in gramhoeveelheden en een methode voor het isoleren van fullerenen in zuivere vorm werd beschreven. Daarna werden de belangrijkste structurele en fysisch-chemische eigenschappen van C 60 fullereen vastgesteld. De C60-isomeer (buckminsterfullereen) is de gemakkelijkst gevormde verbinding onder de bekende fullerenen. Fullerene C60 kreeg zijn naam ter ere van de futuristische architect Richard Buckminster Fuller, die structuren creëerde waarvan het koepelvormige frame bestond uit vijfhoeken en zeshoeken. Tegelijkertijd ontstond tijdens het onderzoek de behoefte aan een generaliserende naam fullerenen voor volumetrische constructies met een gesloten oppervlak (koolstofframe), vanwege hun diversiteit.
Het is ook vermeldenswaard dat een hele reeks koolstofmaterialen is vernoemd naar Buckminster Fuller: c60 fullereen (buckminster fullereen) wordt ook wel een buckyball genoemd (Buckminster Fuller hield niet van de naam "Buckminster" en gaf de voorkeur aan de afgekorte naam "Bucky"). Bovendien worden koolstofnanobuisjes - buckityubes, eivormige fullerenen - buckyegg (buckyball-ei), enz. Soms met hetzelfde voorvoegsel genoemd.
ICM (www.website)
Eigenschappen van fullerenen. fulleriet
Fullereen eigenschappen om objectieve redenen onvoldoende bestudeerd: een relatief klein aantal laboratoria heeft de mogelijkheid om deze eigenschappen te bestuderen. Maar in de periodieke en populair-wetenschappelijke pers wordt zoveel aandacht besteed aan fullerenen en hun eigenschappen... Vaak verspreidt niet-geverifieerde informatie over de wonderbaarlijke eigenschappen van fullerenen zich met een verbazingwekkende snelheid en op enorme schaal, met als resultaat de zwakke stem van ontkenningen blijft ongehoord. De bewering van een groep wetenschappers dat fullerenen aanwezig zijn in shungiet is bijvoorbeeld herhaaldelijk geverifieerd, maar niet bevestigd (zie bespreking op). Desalniettemin wordt shungiet tegenwoordig beschouwd als een "natuurlijk nanotechnologisch materiaal dat fullereen bevat" - een verklaring die naar mijn mening meer op een marketingtruc lijkt.
Sommige onderzoekers claimen zo'n alarmerende eigenschap van fullerenen als toxiciteit.
Meestal als er over gesproken wordt eigenschappen van fullerenen bedoel hun kristallijne vorm - fullerites.
Significant verschil fullereen kristallen van de moleculaire kristallen van veel andere organische substanties doordat ze niet waarnemen vloeibare fase. Misschien komt dit door het feit dat de temperatuur 1200 is K overgang naar een vloeibare toestand, die wordt toegeschreven aan C 60 fulleriet, overschrijdt zijn waarde al, waarbij er een merkbare vernietiging van het koolstofskelet van de fullereenmoleculen zelf optreedt.
Volgens de gegevens eigenschappen van fullerenen abnormaal hoge stabiliteit, die blijkt uit de resultaten van studies van processen waarbij fullerenen betrokken zijn, is er een van. Dat merkt de auteur met name op kristallijn fullereen bestaat als een stabiele substantie tot temperaturen van 1000 - 1200 K, wat wordt verklaard door zijn kinetische stabiliteit. Toegegeven, dit betreft de stabiliteit van het C60-fullereenmolecuul in een inerte argonatmosfeer, en in aanwezigheid van zuurstof wordt al bij 500 K een significante oxidatie waargenomen met de vorming van CO en CO 2 .
Het werk is gewijd aan een uitgebreide studie van de elektrofysische en thermodynamische eigenschappen van C60- en C70-fullerieten onder omstandigheden van extreme schokbelasting.
In ieder geval is het bij het bespreken van de eigenschappen van fullerenen noodzakelijk om te specificeren welke verbinding wordt bedoeld - C20, C60, C70 of een andere, natuurlijk zullen de eigenschappen van deze fullerenen compleet anders zijn.
Momenteel fullerenen С60, С70 en fullereenbevattende producten worden daarom geproduceerd en te koop aangeboden door verschillende buitenlandse en binnenlandse ondernemingen koop fullerenen en ga aan de slag door de eigenschappen van fullerenen te bestuderen in theorie kan iedereen dat. Fullerenen C60 en C70 worden aangeboden tegen prijzen variërend van $ 15 tot $ 210 per gram, en meer, afhankelijk van het type, de zuiverheid, de hoeveelheid en andere factoren. Productie en verkoop van fullerenen »
Fullerenen in gietijzer en staal
Het bestaan veronderstellen fullerenen en fullereenstructuren in ijzer-koolstoflegeringen, dan zouden ze de fysische en mechanische eigenschappen van staal en gietijzer aanzienlijk moeten beïnvloeden, door deel te nemen aan structurele en fasetransformaties.
ICM (www.website)
De mechanismen van kristallisatie van ijzer-koolstoflegeringen worden al lang nauwlettend gevolgd door onderzoekers van deze processen. Het artikel bespreekt de mogelijke mechanismen voor de vorming van nodulair grafiet in hoogwaardig gietijzer en de kenmerken van zijn structuur, rekening houdend met fullereenkarakter van ijzer-koolstoflegeringen. De auteur schrijft dat "met de ontdekking van fullerenen en structuren op basis van fullerenen, er in een aantal werken pogingen zijn gedaan om het mechanisme van de vorming van nodulair grafiet op basis van deze structuren te verklaren."
Het werk beschouwt prestaties op het gebied van fullereenchemie en generaliseert "nieuwe ideeën over de structuur van ijzer-koolstofsmeltingen". De auteur beweert dat de moleculaire vorm van koolstof is fullerenen С60- geïdentificeerd door hem in ijzer-koolstoflegeringen gesmolten door methoden van klassieke metallurgie, en onthult ook drie mogelijke mechanismen voor het uiterlijk fullerenen in de structuur van staal en gietijzer:
Op een gegeven moment, 5 jaar geleden, kozen we fullereen en een zeshoek als het logo van de site www.site, als een symbool van de nieuwste prestaties op het gebied van onderzoek naar ijzer-koolstofsmeltingen, als een symbool van nieuwe ontwikkelingen en ontdekkingen met betrekking tot de modificatie van Fe-C-smelting - een integraal stadium van moderne gieterij en kleine metallurgie.
Lett.:
Fullerenen komen overal in de natuur voor, en vooral waar koolstof en hoge energieën zijn. Ze bestaan in de buurt van koolstofsterren, in de interstellaire ruimte, op plaatsen waar de bliksem inslaat, in de buurt van vulkaankraters, en worden gevormd wanneer gas wordt verbrand in een gasfornuis thuis of in de vlam van een gewone aansteker.
Fullerenen worden ook aangetroffen op plaatsen waar oude koolstofrotsen zich ophopen. Een speciale plaats behoort tot de Karelische mineralen - shungiet. Deze rotsen, die tot 80% pure koolstof bevatten, zijn ongeveer 2 miljard jaar oud. De aard van hun herkomst is nog steeds niet duidelijk. Een van de aannames is de val van een grote koolstofmeteoriet.
Fullerenen in shungites (Fullerenen in Shungites Stone) is een onderwerp dat veel wordt besproken in veel gedrukte publicaties en op de pagina's van internetsites. Er zijn veel tegenstrijdige meningen over deze kwestie, in verband waarmee zowel lezers als gebruikers van shungite-producten veel vragen hebben. Bevatten shungieten echt de moleculaire vorm van koolstof - fullerenen? Bevatten de medicinale "Marciale wateren" fullerenen? Is het mogelijk om water doordrenkt met shungiet te drinken, en wat is het voordeel ervan? Op basis van onze ervaring met wetenschappelijk onderzoek naar de eigenschappen van verschillende shungieten geven wij hieronder onze mening over deze en enkele andere veelgestelde vragen.
Op dit moment zijn producten vervaardigd met behulp van Karelische shungites wijdverbreid. Dit zijn verschillende filters voor waterbehandeling, piramides, hangers, producten die beschermen tegen elektromagnetische straling, pasta's en gewoon shungietgrind en vele andere soorten producten die worden aangeboden als preventieve, therapeutische en gezondheidsbevorderende middelen. Tegelijkertijd worden de laatste jaren in de regel de genezende eigenschappen van verschillende soorten shungiet toegeschreven aan de fullerenen die erin zitten.
Kort na de ontdekking van fullerenen in 1985 begon een actieve zoektocht ernaar in de natuur. Fullerenen zijn gevonden in Karelische shungite, zoals gerapporteerd in verschillende wetenschappelijke publicaties. Op onze beurt hebben we alternatieve methodologische benaderingen ontwikkeld om fullerenen uit shungieten te isoleren en hun aanwezigheid te bewijzen. De studies analyseerden monsters die waren genomen in verschillende regio's van Zaonezhye, waar shungietrotsen voorkomen. Voorafgaand aan de analyse werden shungietmonsters geplet tot een microdisperse toestand.
Bedenk dat shungites een opengewerkt silicaatrooster zijn, waarvan de holtes zijn gevuld met shungite-koolstof, wat qua structuur een tussenproduct is tussen amorfe koolstof en grafiet. Ook in shungite-koolstof zijn er natuurlijke organische laag- en hoogmoleculaire verbindingen (NONVS) met een onbekende chemische samenstelling. Shungieten verschillen in de samenstelling van de minerale basis (aluminosilicaat, kiezelhoudend, carbonaat) en de samenstelling van schungietkoolstof. Shungites worden onderverdeeld in koolstofarm (tot 5% C), medium koolstof (5-25% C) en koolstofrijk (25-80% C). Na de volledige verbranding van shungiet in de as worden naast silicium ook Fe, Ni, Ca, Mg, Zn, Cd, V, Mo, Cu, Ce, As, W en andere elementen gevonden.
Fullereen in shungietkoolstof heeft de vorm van speciale, polaire donor-acceptorcomplexen met PONVS. Daarom vindt de effectieve extractie van fullerenen eruit met organische oplosmiddelen, bijvoorbeeld tolueen, waarin fullerenen zeer goed oplosbaar zijn, niet plaats, en de keuze voor een dergelijke extractiemethode leidt vaak tot tegenstrijdige resultaten over de ware aanwezigheid van fullerenen in shungiet. .
In dit verband hebben we een methode ontwikkeld voor de ultrasone extractie van een water-detergent dispersie van shungiet, gevolgd door de overdracht van fullerenen van een polair medium naar een organische oplosmiddelfase. Na verschillende stadia van extractie, concentratie en zuivering is het mogelijk om een oplossing in hexaan te verkrijgen, waarvan de UV- en IR-spectra kenmerkend zijn voor de spectra van pure C60-fullereen. Ook is een duidelijk signaal in het massaspectrum met m/z = 720 (figuur hieronder) een ondubbelzinnige bevestiging van de aanwezigheid van slechts С60 fullereen in shungieten.
252 Cf-PD massaspectrum van shungiet-extract. Het signaal op 720 a.m.u. is С60 fullereen, en de signalen op 696, 672 zijn kenmerkende fragmentatie С60 fullereenionen gevormd onder plasma-desorptie-ionisatie-omstandigheden.
We ontdekten echter dat niet elk monster shungiet fullerenen bevat. Van alle shungietmonsters die ons zijn verstrekt door het Instituut voor Geologie van het Karelische Wetenschappelijk Centrum van de Russische Academie van Wetenschappen (Petrozavodsk, Rusland) en geselecteerd uit verschillende gebieden waar shungietgesteenten voorkomen, werd C 60 fullereen slechts gevonden in één monster van shungiet met een hoog koolstofgehalte dat meer dan 80% koolstof bevat. Bovendien bevatte het ongeveer 0,04 gew. %. Hieruit kunnen we concluderen dat niet elk monster shungiet fullereen bevat, althans niet in de hoeveelheid die beschikbaar is voor detectie door moderne zeer gevoelige methoden van fysische en chemische analyse.
Daarnaast is het algemeen bekend dat shungieten een vrij grote hoeveelheid onzuiverheden kunnen bevatten, waaronder ionen van zware polyvalente metalen. En daarom kan water doordrenkt met shungiet ongewenste, giftige onzuiverheden bevatten.
Maar waarom heeft marciaal water (Karelisch natuurlijk water dat door shungietbevattende rotsen stroomt) zulke unieke biologische eigenschappen? Bedenk dat zelfs in de tijd van Peter I, en op zijn persoonlijk initiatief, de geneeskrachtige bron "Marcial Waters" werd geopend in Karelië (voor meer details, zie). Lange tijd kon niemand de reden voor de bijzondere genezende eigenschappen van deze bron verklaren. Aangenomen werd dat het verhoogde ijzergehalte in deze wateren de oorzaak is van de genezende effecten. Er zijn echter veel ijzerhoudende bronnen op aarde, maar in de regel zijn de genezende effecten van hun inname vrij beperkt. Pas na de ontdekking van fullereen in de shungietgesteenten waar de bron doorheen stroomt, ontstond de veronderstelling dat fullereen de belangrijkste reden is, de kwintessens van de therapeutische werking van Martiale wateren.
Inderdaad, water dat lange tijd door de lagen "gewassen" shungietgesteente stroomt, bevat geen noemenswaardige hoeveelheden schadelijke onzuiverheden. Water is "verzadigd" met de structuur die de rots het geeft. Fullereen in shungiet draagt bij aan de ordening van waterstructuren en de vorming van fullereenachtige hydraatclusters daarin en het verwerven van unieke biologische eigenschappen van Martiale wateren. Shungite gedoteerd met fullereen is een soort natuurlijke structureerder van water dat er doorheen gaat. Tegelijkertijd heeft nog niemand fullerenen kunnen detecteren in Marciale wateren of in de waterinfusie van shungite: ofwel worden ze niet uit shungite weggespoeld, ofwel worden ze uitgewassen, dan in zulke schaarse hoeveelheden dat ze niet worden gedetecteerd volgens een van de bekende methoden. Bovendien is het algemeen bekend dat fullerenen niet spontaan oplossen in water. En als fullereenmoleculen in krijgswater zouden zitten, dan zouden de nuttige eigenschappen ervan heel lang behouden blijven. Het is echter maar kort actief. Evenals "smeltwater", verzadigd met cluster, ijsachtige structuren, behoudt Marciaal water, dat levengevende fullereenachtige structuren bevat, zijn eigenschappen slechts enkele uren. Bij het opslaan van krijgswater, evenals "ontdooid water", vernietigen geordende waterclusters zichzelf en krijgt water structurele eigenschappen, zoals gewoon water. Daarom heeft het geen zin om dergelijk water in containers te gieten en voor een lange tijd op te slaan. Het mist een structuurvormend en structuurondersteunend element, C60 fullereen in een gehydrateerde toestand, dat in staat is om geordende waterclusters willekeurig lang in stand te houden. Met andere woorden, om water lang zijn natuurlijke clusterstructuren te laten behouden, is de constante aanwezigheid van een structuurvormende factor daarin noodzakelijk. Hiervoor is het fullereenmolecuul optimaal, zoals we al vele jaren zien bij het bestuderen van de unieke eigenschappen van gehydrateerd C 60 fullereen.
Het begon allemaal in 1995, toen we een methode ontwikkelden om moleculair-colloïdale oplossingen van gehydrateerde fullerenen in water te verkrijgen. Tegelijkertijd maakten we kennis met een boek dat vertelt over de ongebruikelijke eigenschappen van de krijgswateren. We hebben geprobeerd de natuurlijke essentie van de krijgswateren in laboratoriumomstandigheden te reproduceren. Hiervoor werd water met een hoge zuiveringsgraad gebruikt, waaraan volgens een speciale technologie gehydrateerd C 60-fullereen in zeer kleine doses werd toegevoegd. Daarna begonnen verschillende biologische tests te worden uitgevoerd op het niveau van individuele biomoleculen, levende cellen en het hele organisme. De resultaten waren verbluffend. In bijna elke pathologie vonden we alleen positieve biologische effecten van de werking van water met gehydrateerd C 60-fullereen, en de effecten van het gebruik ervan vielen niet alleen volledig samen, maar overtroffen zelfs in veel parameters de effecten die werden beschreven voor krijgswateren terug in Peters tijd. Veel pathologische veranderingen in een levend organisme verdwijnen en het keert terug naar zijn normale, gezonde toestand. Maar dit is geen medicijn van gerichte actie en geen buitenaardse chemische verbinding, maar gewoon een bal koolstof opgelost in water. Bovendien krijgt men de indruk dat gehydrateerd fullereen C 60 helpt om eventuele negatieve veranderingen in het lichaam terug te brengen naar de "normale toestand" door de structuren te herstellen en te behouden die het als een matrix heeft gegenereerd tijdens het proces van de geboorte van het leven.
Daarom is het blijkbaar geen toeval dat Orlov A.D. in zijn boek "Shungite - een steen van zuiver water.", waarin hij de eigenschappen van shungites en fullerenen vergelijkt, spreekt hij over de laatste als de essentie van gezondheid.
1. Buseck et al. Fullerenen uit de geologische omgeving. Wetenschap 10 juli 1992: 215-217. DOI: 10.1126/wetenschap.257.5067.215.
2. NP Joesjkin. Bolvormige supramoleculaire structuur van shungiet: scanning tunneling microscopiegegevens. DAN, 1994, v. 337, nr. 6 p. 800-803.
3. V.A. Reznikov. Yu.S. Polechovski. Amorfe shungietkoolstof is een natuurlijke omgeving voor de vorming van fullerenen. Brieven aan ZhTF. 2000. v. 26. c. 15. p.94-102.
4. Peter R.Buseck. Geologische fullerenen: beoordeling en analyse. Earth and Planetary Science Letters V 203, I 3-4, 15 november 2002, pagina's 781-792
5.N.N. Rozhkova, GV Andrievsky. Waterige colloïdale systemen op basis van shungietkoolstof en extractie van fullerenen daaruit. De 4e tweejaarlijkse internationale workshop in Rusland "Fullerenes and Atomic Clusters" IWFAC"99 4 - 8 oktober 1999, St. Petersburg, Rusland. Book of Abstracts, p.330.
6. NN Rozhkova, GV Andrievski. Fullerenen in shungietkoolstof. Za. wetenschappelijk Procedures van de Internationale Symposium "Fullerenen en fullereenachtige structuren": 5-8 juni 2000, BSU, Minsk, 2000, pp. 63-69.
7. N.N. Rozjkova, G.V. Andrievski. Shungite koolstof nanocolloïden. extractie van fullerenen met waterige oplosmiddelen. Za. Wetenschappelijk Proceedings of the III International Seminar "Mineralogy and Life: Biomineral Homology", 6-8 juni 2000, Syktyvkar, Rusland, Geoprint, 2000, P.53-55.
8. SA Vishnevsky. Medische gebieden van Karelië. Staatsuitgeverij van de Karelische ASSR, Petrozavodsk, 1957, 57 p.
9. Fullerenen: de essentie van gezondheid. Hoofdstuk op p. 79-98 in het boek: A.D. Orlov. "Shungite - een steen van zuiver water." Moskou-St. Petersburg: "DILYa Publishing House", 2004. - 112 p.; en op internet op de site (www.golkom.ru/book/36.html).
Fullerenen zijn moleculaire verbindingen die behoren tot de klasse van allotrope modificaties van koolstof, met gesloten framestructuren bestaande uit drie gecoördineerde koolstofatomen en met 12 vijfhoekige en (n/2 - 10) hexagonale vlakken (n≥20). De eigenaardigheid is dat elke vijfhoek alleen grenst aan zeshoeken.
De meest stabiele vorm is C 60 (buckminsterfullereen), waarvan de bolvormige holle structuur uit 20 zeshoeken en 12 vijfhoeken bestaat.
Figuur 1. Structuur van C 60
Het C 60-molecuul bestaat uit koolstofatomen die aan elkaar zijn gekoppeld door een covalente binding. Deze verbinding is te danken aan de socialisatie van de valentie-elektronen van atomen. De lengte van de C-C binding in de vijfhoek is 1,43 Ǻ, evenals de lengte van de zijde van de zeshoek die beide figuren verbindt, maar de zijde die de zeshoeken verbindt is ongeveer 1,39 Ǻ.
Onder bepaalde omstandigheden hebben C 60-moleculen de neiging om in de ruimte geordend te zijn, ze bevinden zich op de knopen van het kristalrooster, met andere woorden, fullereen vormt een kristal dat fulleriet wordt genoemd. Om ervoor te zorgen dat C 60-moleculen zich systematisch in de ruimte bevinden, zoals hun atomen, moeten ze met elkaar verbonden zijn. Deze binding tussen moleculen in een kristal is te wijten aan de aanwezigheid van een zwakke van der Waals-kracht. Dit fenomeen wordt verklaard doordat in een elektrisch neutraal molecuul de negatieve lading van elektronen en de positieve lading van de kern in de ruimte verspreid zijn, waardoor de moleculen elkaar kunnen polariseren, met andere woorden ze leiden tot een verplaatsing in de ruimte van de centra van positieve en negatieve ladingen, wat hun interactie veroorzaakt.
Vaste C60 heeft bij kamertemperatuur een vlakgecentreerd kubisch rooster, waarvan de dichtheid 1,68 g/cm3 is. Bij temperaturen onder 0 ° C vindt een transformatie naar een kubisch rooster plaats.
De vormingsenthalpie van fullereen-60 is ongeveer 42,5 kJ/mol. Deze indicator geeft de lage stabiliteit weer in vergelijking met grafiet (0 kJ/mol) en diamant (1,67 kJ/mol). Het is vermeldenswaard dat naarmate de grootte van de bol toeneemt (naarmate het aantal koolstofatomen toeneemt), de vormingsenthalpie asymptotisch neigt naar de enthalpie van grafiet, dit komt doordat de bol steeds meer op een vlak lijkt.
Uiterlijk zijn fullerenen fijn kristallijne poeders van zwarte kleur, geurloos. Ze zijn praktisch onoplosbaar in water (H 2 O), ethanol (C 2 H 5 OH), aceton (C 3 H 6 O) en andere polaire oplosmiddelen, maar in benzeen (C 6 H 6), tolueen (C 6 H 5 - CH 3), fenylchloride (C 6 H 5 Cl) lossen op en vormen roodviolet gekleurde oplossingen. Opgemerkt moet worden dat wanneer een druppel styreen (C 8 H 8) wordt toegevoegd aan een verzadigde oplossing van C 60 in dioxaan (C 4 H 8 O 2), de kleur van de oplossing onmiddellijk verandert van geel- bruin tot roodviolet, door de vorming van het complex (solvaat).
In verzadigde oplossingen van aromatische oplosmiddelen vormen fullerenen bij lage temperaturen een neerslag - een kristalsolvaat in de vorm C 60 Xn, waarbij X benzeen (C 6 H 6), tolueen (C 6 H 5 -CH 3), styreen (C 8 H 8) , ferroceen (Fe(C 5 H 5) 2) en andere moleculen.
De oplossingsenthalpie van fullereen in de meeste oplosmiddelen is positief: naarmate de temperatuur stijgt, verslechtert de oplosbaarheid in de regel.
De studie van de fysische en chemische eigenschappen van fullereen is een actueel fenomeen, aangezien deze verbinding een integraal onderdeel van ons leven aan het worden is. Momenteel worden de ideeën besproken om fullerenen te gebruiken bij het maken van fotodetectoren en opto-elektronische apparaten, groeikatalysatoren, diamant en diamantachtige films, supergeleidende materialen, en ook als kleurstoffen voor kopieerapparaten. Fullerenen worden gebruikt bij de synthese van metalen en legeringen met verbeterde eigenschappen.
Het is de bedoeling dat fullerenen worden gebruikt als basis voor de productie van accu's. Het werkingsprincipe van deze batterijen is gebaseerd op de hydrogeneringsreactie, ze zijn in veel opzichten vergelijkbaar met de wijdverspreide op nikkel gebaseerde batterijen, maar in tegenstelling tot de laatste hebben ze het vermogen om meerdere malen meer specifieke hoeveelheden waterstof op te slaan. Bovendien hebben deze batterijen een hogere efficiëntie, een lager gewicht en een hogere milieu- en gezondheidsveiligheid in vergelijking met de meest geavanceerde lithiumbatterijen in termen van deze kwaliteiten. Fullereenbatterijen kunnen op grote schaal worden gebruikt om personal computers en gehoorapparaten van stroom te voorzien.
Er wordt veel aandacht besteed aan het probleem van het gebruik van fullerenen in de geneeskunde en farmacologie. Het idee om medicijnen tegen kanker te maken op basis van in water oplosbare endohedrale verbindingen van fullerenen met radioactieve isotopen wordt overwogen.
Het gebruik van fullerenen wordt echter beperkt door hun hoge kosten, die te wijten zijn aan de bewerkelijkheid van de synthese van een fullereenmengsel, evenals de meertrapsscheiding van individuele componenten ervan.