Лабораторное создание фуллеренов
Лабораторное создание фуллеренов
Здрасти, раскажите пожалуйста о методах фильтрации и разные схемы по лабораторному производству фуллеренов?
Фуллерены — особенная форма углерода, которая сначала была открыта в научных лабораториях при попытке моделировать процессы, происходящие в космосе, а позже найдена в земной коре.
В первый раз о земном существовании уникального вещества научный мир вызнал после того, как один из бывших русских ученых изучил в Аризонском институте (США) эталоны карельских шунгитов, и, к удивлению, нашел там углеродные глобулы с фуллеренами. После чего и начался насыщенный поиск других пород, содержащих фуллерены, появились вопросы об их происхождении на Земле.
Позже земные фуллерены были найдены в Канаде, Австралии и в Мексике — и в каждой из этих государств они были обнаружены на местах падения метеоров. При всем этом некие фуллерены были заполнены: снутри оболочек находились атомы гелия. Странноватым оказался тот факт, что фуллерены хранили не гелий-4 — изотоп, который обычно находится в земных породах, — а редчайший для Земли изотоп гелий-3.
По воззрению ученых такие фуллерены могли образоваться исключительно в галлактических критериях, в так именуемых углеродных звездах либо в ближнем их окружении (рис. 1). Удалось найти время возникновения исследованных фуллеренов на Земле. Кратер от падения канадского метеора образовался около 2-ух млрд годов назад, в архейскую эру, когда Земля еще была мертвенна. Другие фуллерены были обнаружены на границе отложений пермского и триасового периодов, их возраст оценен в 250 млн. лет. Вот тогда в Землю врезался огромный астероид, вызвавший трагические разрушения.
Рис. 1. Галлактические фуллерены.
Загадка фуллеренов состоит в том, что до недавнешнего времени числилось, что углерод имеет только три формы существования — алмаз, графит и карбит. Эти вещества отличаются своим строением. Каждый атом углерода в структуре алмаза размещен в центре тетраэдра, верхушками которого служат четыре ближайших атома. Такая структура определяет характеристики алмаза как самого твердого вещества, известного на Земле.
Атомы углерода в кристаллической структуре графита сформировывают правильные пяти-и шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, крепкую и размеренную сетку, похожую на пчелиные соты. Сетки размещаются друг над другом слоями, которые слабо связаны меж собой. Такая структура определяет специальные характеристики графита: низкую твердость и способность просто расслаиваться на мелкие чешуйки.
Молекула фуллерена представляет сферическую поверхность, которая образована из шестиугольников и пятиугольников, покрывающих поверхность формирующейся графитовой сферы либо эллипсоида и составляют замкнутые полиэдры, состоящие из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода, находящихся в состоянии sp2 –гибридизации. Природой задана точная последовательность этого соединения — каждый шестиугольник граничит с 3-мя шестиугольниками и 3-мя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Атомы углерода, образующие сферу, связаны меж собой ковалентной С-С связью, длина которой в пятиугольнике — 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм. Молекулы фуллеренов могут содержать 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70 и т.д. атомов углерода (рис. 2). Фуллерены с количеством углеродных атомов n<60 являются неуравновешенными. Высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (n<400), образуются в малозначительных количествах и нередко имеют достаточно непростой изомерный состав.
Рис. 2. Разновидности природных и синтетических фуллеренов с разным количеством атомов углерода: С24, С28, С32, С36, С50, С60, С70
Благодаря собственному шарообразному строению фуллерены оказались безупречной смазкой. Они катаются, как будто шарики размером с молекулу меж трущимися поверхностями. Сочитая снутри углеродных шаров различные атомы и молекулы, можно создавать самые фантастические материалы грядущего.
Фуллерены могут употребляться в нанотехнологии, медицине, ракетном строительстве, в военных целях, электронике, оптикоэлектронике, машинном производстве, в производстве технической продукции, компов и др., и во всех случаях рабочие характеристики оборудования существенно улучшаются, качество увеличивается, технологии становятся более действенными и ординарными. К примеру, южноамериканские исследователи учёные разработали технологию, которая позволяет на всякую поверхность нанести тончайшие элементы солнечных батарей — они представляют собой многослойную полимерную пленку, содержащую все те же фуллерены. Такие элементы владеют пока приблизительно вчетверо более низким коэффициентом полезного деяния, чем классические батареи на базе кремния, но они существенно проще и дешевле в производстве. Может быть, уже в ближнем будущем индустрия начнет выпускать солнечные батареи рулонами — как обои. В одном из институтов Швеции в процессе опытов с фуллеренами внезапно для самих ученых был получен слоеный материал, напоминающий фольгу, проложенную тонкими слоями бумаги. Прозрачный и гибкий материал оказался магнитом и сохранял свои характеристики даже при температуре выше 200 градусов. Его полностью может быть использовать для сотворения компьютерной памяти при помощи записи лазерным лучом. Благодаря этому достигается очень высочайшая плотность носителя инфы.
Огромные надежды связаны с применением фуллеренов в медицине. Практически безупречная сферическая структура молекулы фуллерена и микроскопичный размер (поперечник 0.7 нм), позволяют ученым рассчитывать на то, что эти молекулы сумеют сделать механическое препятствие для проникания вирусов в клеточки зараженного организма. Дискуссируется также и мысль сотворения противораковых препаратов на базе водорастворимых соединений фуллеренов с внедренными вовнутрь радиоактивными изотопами. Введение такового лекарства в ткань позволит избирательно повлиять на пораженные опухолью клеточки, препятствуя их предстоящему размножению. Пока основное препятствие на пути разработок связано с нерастворимостью молекул фуллеренов в воде, затрудняющей их прямое введение в организм.
Другим препятствием использования искусственно синтезированных фуллеренов является их высочайшая цена, которая варьирует от 100 до 900 баксов за гр, зависимо от их свойства и степени чистоты. Потому многообещающим направлением науки и техники является поиск новых природных фуллерен-содержащих минералов, каким является российский шунгит.
Уникальные характеристики шунгита определяются структурой и составом образующих его частей. Шунгитовый углерод образует в породе матрицу, в какой умеренно распределены высокодисперстные силикаты со средним размером около 1 мкм. (рис. 3).
Рис. 3. Структура шунгитовой породы (Юшкин Н. П., 1994)
Базу шунгитного углерода представляет мультислойная фуллереноподобная глобула, поперечником 10-30 нм (рис. 4). Фуллерены в первый раз были открыты в 1985 году при лазерном облучении твёрдого графита. Позднее фуллерено-подобные структуры были обнаружены не только лишь в графите, да и в образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах саже, также в природном минерале шунгите (0,001 масс. %). Кристалл, образованный молекулами фуллеренов (фуллерит) является молекулярным кристаллом; переходной формой меж органическим и неорганическим веществом. Плотность фуллерита составляет 1,7 г/см3, что несколько меньше плотности и шунгита (2,1 -2,4 г/см3) и графита (2,3 г/см 3).
Рис. 4. Нанодифракционная микрофотография шунгитового углерода (зонд 0,3 — 0,7 нм.) (Юшкин Н. П., 1994)
Наличие в шунгите фуллерено-подобных молекул открывает перспективы его предстоящего использования в разных отраслях индустрии. Лимитирующим фактором при всем этом остаётся очень маленький процент содержания фуллеренов в шунгите (до 0.001 масс. %). Шунгит, благодаря собственной структуре и многокомпонентным составом образующих его частей обладает высочайшей активностью в окислительно-восстановительных процессах, широким диапазоном сорбционных и каталитических параметров. Это позволяет отлично использовать этот минерал в разных окислительно-восстановительных процессах: в т.ч. в металлургии, в доменном производстве литейных высококремнистых чугунов (1 тонна шунгита подменяет 1,3 тонны кокса), в производстве ферросплавов, в производстве фосфора, в производстве карбида и нитрида кремния и др.
Сорбционные, каталитические и восстановительные характеристики шунгитовых пород позволяют удачно очищать сточные воды от многих органических и неорганических веществ (нефтепродуктов, пестицидов, оксибензолов, поверхностно-активных веществ и др.). Не считая этого, шунгит является самым действенным веществом для чистки водопроводной воды от хлорорганических веществ (диоксинов, радикалов), обладает антибактериальными качествами.
Механизм взаимодействия шунгита с водой совсем не исследован. Подразумевается, что шунгит способен всасывать кислород, интенсивно взаимодействуя с ним как сильный восстановитель в воде и на воздухе. В этом процессе появляется атомарный кислород, являющийся наисильнейшим окислителем и окисляющий адсорбированные на шунгите органические вещества до CO2 и H2O, освобождая поверхность шунгита для новых актов адсорбции. Долгое воздействие шунгита по отношению к растворенным в воде металлам разъясняется тем, что металлы переводятся шунгитом в форму нерастворимых карбонатов, за счёт процесса окисления органических веществ до CO2
Таким макаром, шунгит может рассматриваться как другой активированному углю российский природный фуллеренсодержащий минеральный сорбент, при помощи которого можно просто и экономно решить делему водоснабжения и водоочистки в почти всех проблемных регионах; в чистке городских, бытовых, промышленных сточных вод от нефти и нефте-продуктов, хлорорганических соединений и тяжёлых металлов, в подготовке воды ТЭЦ, бассейнов, колодцев, в обеззараживании воды и др. Огромным преимуществом, открывающим широкие перспективы использования шунгита будет то, что шунгит – природный экологически незапятнанный материал с широким диапазоном нужных параметров. Припасы российского шунгита довольно значительны (35 млн. тонн), уровень добычи шунгита – 120 тыс. т. в год, а цена его значительно ниже по сопоставлению с подобными сорбентами, что содействует поиску и выработке новых путей предстоящего использования этого ценного российского природного минерала в водоподготовке и водоочистке. При всем этом положительными моментами использования шунгита является экологичность, наличие широкой российскей сырьевой базы, высочайшая эффективность устранения загрязнений воды различной природы, кондиционирование воды (обогащение полезными элементами), низкая цена фильтрующих устройств и технологий, использующих шунгит по сопоставлению
К.х.н. О.В. Мосин