Точка на топене на фулерена. Фулерени в природата
Имоти ... Но всичко първо.
В началото – за шунгита.
Шунгитът е черен минерал, съдържащ 93-98% въглерод и до 3-4% съединения на водород, кислород, азот, сяра и вода. Минералната пепел съдържа ванадий, молибден, никел, волфрам, селен. Минералът е кръстен на село Шунга в Карелия, където се намират основните му находища.
Шунгитът се е образувал от органични дънни утайки – сапропел – преди около 600 милиона години, а според някои източници – преди 2 милиарда години. Тези органични утайки (трупове на ракообразни, водорасли и други охлюви), покрити отгоре с нови слоеве, постепенно се уплътняват, дехидратират и потъват в дълбините на земята. Под въздействието на компресия и висока температура протича процесът на метаморфизация. В резултат на този процес се образува аморфен въглерод, диспергиран в минералната матрица, под формата на характерни за шунгита глобули-фулерени.
Сега за фулерените
Какъв е този фулерен, който се съдържа в шунгита? Фулерените са една от разновидностите на въглерода. И така, от училище помним, че въглеродът има няколко форми:
- диамант,
- графит,
- въглища.
Фулерените са просто друга форма на въглерод. Различава се по това, че молекулите на фулерена са глобули от правилни полиедри, съставени от молекули от един и същ въглерод:
Но защо фулерените са толкова полезни?
Фулерените се използват в полупроводниковата технология, за различни изследвания (оптика, квантова механика), фоторезистентност, в областта на свръхпроводниците, в механиката за производство на вещества за намаляване на триенето, в технологията на батериите, в синтеза на диаманти, в производството на фотобатерии и много други индустрии. От които една за производство на лекарства.
И отново се връщаме към нашия въпрос - защо фулерените са толкова полезни? Тук можете да се обърнете към Григорий Андриевски, който работи с група учени в Института по терапия на Академията на медицинските науки на Украйна точно по този въпрос. В изследването си ученият разкрива какво е какво.
И така, фулерените в шунгита са в специална форма - хидратирана. Тоест те са свързани с водата и могат да се разтварят във вода. Съответно фулерените могат да бъдат измити от шунгита и да се образуват разтвор на фулерен- единственият активна форма на фулерениза днес.
Освен това, водните разтвори на фулерени са мощни антиоксиданти. Тоест те, подобно на витамините Е и С (и други вещества), помагат на тялото се справят със свободните радикали- вещества, които се образуват в тялото при възпалителни процеси и много агресивно взаимодействат с околните вещества - разрушават необходимите за организма структури. Но за разлика от витамините, фулерените не се изразходват при неутрализиране на свободните радикали - и могат да ги направят безопасни, докато не бъдат отстранени от тялото по естествен път.
Съответно, количествата фулерени, които ефективно действат като антиоксиданти, могат да бъдат намерени в тялото в много по-малки количества от витамините. В сравнение с тях
фулерените могат да работят в ултра ниски дози.
Съответно, като използвате водни разтвори на фулерени, можете да намалите количеството свободни радикали в тялото - и да помогнете на тялото да се справи с негативните процеси. Какво всъщност прави шунгитовата вода - същият воден разтвор на фулерени.
И едно много важно допълнение от Григорий Андриевски за лечебните свойства на шунгитовите фулерени:
Досега е имало само експерименти с доброволци, включително и аз. Затова не бива да се вдигат вълнения и да се вдъхват нереалистични надежди на пациентите. Да, имаме обещаващи резултати от фундаментални изследвания, предимно върху животни и клетъчни култури. Но докато препаратите и методите не бъдат изпитани и изпитани по предписания начин, ние нямаме нито морално, нито друго право да ги наричаме лекарства и медицински методи.
И накрая, към шунгитовата вода
Шунгитова вода – връщаме се към нея. Има две противоположни мнения относно приготвянето и употребата на шунгитовата вода.
Първата беше обявена от канд. хим. О. В. Мосин (Московска държавна академия за фина химическа технология на името на М. В. Ломоносов):
вода, напоен с шунгит, се превръща не просто в чиста питейна вода, но и в молекулярно-колоиден разтвор на хидратирани фулерени, които принадлежат към ново поколение лечебни и профилактични средства с многостранно действие върху организма.
Второто мнение за използването на шунгит е изразено от директора на Института по геология на Карелския научен център на Руската академия на науките, доктор на геоложките науки. н. Владимир Щипцов:
Доказано е, че шунгитът пречиства водата, но само ако е включен като неразделна част от специални филтри. Водата, вливана просто върху парче минерал, може дори да бъде вредна - в резултат на химическа реакция всъщност се образува киселинен разтвор с ниска концентрация.
И така, за да приготвите шунгитова вода, трябва ли да настоявате водата върху минерала или да я прекарате през специални филтри? Нека се задълбочим в темата. И тъй като шунгитовата вода е воден разтвор на фулерени, няма да се отървем от тях.
Така фулерените се разтварят във вода много трудно. От друга страна, ако се разтворят, тогава около всяка фулеренова топка се образува многослойна обвивка от правилно подредени водни молекули, приблизително в десет молекулни слоя. Тази вода, с други думи, хидрат, може да се нарече обвивка около фулереновата молекула структурирана вода.
Свойствата на водата, заобикаляща фулереновата молекула, се различават значително от обикновената вода. И тя е много подобна на свързаната вода в клетките на тялото. Така че в живата клетка всъщност има много малко обикновена, позната ни безплатна вода. Цялата вода е свързана с молекулите около нея. И е нещо като желе. Механизмът на образуване на свързана вода в клетките е подобен на механизма на образуване на водна обвивка около фулеренова молекула.
Така в разтвор на шунгитова вода могат да се разграничат два вида вода:
- структурирана вода около молекулите на фулерена (както и молекулите на органичните вещества в клетките),
- и безплатна вода.
При изпаряване на разтвори, свободната вода се изпарява първа. Същата водна обвивка с по-ниска точка на топене се образува около ДНК молекулите в ензимни разтвори. Това им осигурява устойчивост както на замръзване, така и на нагряване.
И така, обратно към два различни начина за приготвяне на шунгит – накисване и преминаване през слой шунгит. Как се различават тези методи? Те се различават по време на контакт. Това е времето, през което фулерените могат да напуснат структурата на шунгита и да образуват воден разтвор.
Както споменахме по-рано, фулерените могат да работят в ултра ниски дози. Тоест, за образуването на наистина ефективен разтвор на фулерени е достатъчно просто да прекарате вода през шунгит или не много дълго вливане на вода върху шунгит.
Естествено, интензивността на разтваряне на фулерените от шунгит зависи от степента на смилане на шунгитовите гранули. Така че, ако имате парче камък с тегло килограм, тогава можете да вливате вода за дълго време 🙂
Тъй като няма завършени научни изследвания с недвусмислени препоръки за употребата на шунгит, няма точна схема - колко време да се влива (филтрира) през гранули с какъв размер шунгит, за да се приготви разтвор на фулерени с желаната концентрация.
Съответно, единственият изход за днес е да експериментирате с шунгитова вода върху себе си.
И слушайте чувствата си. И, разбира се, да промените въздействието, когато здравословното състояние се влоши или подобри.
Напишете резултатите от вашите експерименти!
фулеренив най-общия смисъл на това понятие могат да се назоват експериментално получени и хипотетични молекули, състоящи се изключително от въглеродни атоми и имащи формата на изпъкнали полиедри. Въглеродните атоми са разположени в техните върхове, а C-C връзките се движат по ръбовете.
Фулеренът е молекулярната форма на въглерода. Често срещано определение е това фулерени, които са в твърдо състояние, се наричат фулерити. Кристалната структура на фулерита е периодична решетка от фулеренови молекули, а в кристалния фулерит фулереновите молекули образуват fcc решетка.
Фулеренът представлява интерес за астрономията, физиката, биологията, химията, геологията и други науки от началото на деветдесетте години. На фулерена се приписват фантастични медицински свойства: например, твърди се, че фулеренът вече е започнал да се използва в козметиката като подмладяващ агент в козметологията. С помощта на фулерен те ще се борят с рака, ХИВ и други страховити болести. В същото време новостта на тези данни, малкото им проучване и спецификата на съвременното информационно пространство все още не позволяват сто процента да се доверим на такава информация за фулерена.
ICM (www.уебсайт)
Широко разпространена е силно опростена гледна точка, че преди откриването на фулерена е имало две полиморфни модификации на въглерода - графит и диамант, а след 1990 г. към тях е добавена друга алотропна форма на въглерода. Всъщност това не е така, защото формите на съществуване на въглерода са изненадващо разнообразни (виж статията). 
Историята на откриването на фулерените
Колектив от автори, ръководен от L.N. Сидорова обобщава в монографията „Фулерени“ голям брой произведения по тази тема, макар и в никакъв случай не всички: към момента на публикуване на книгата общият брой публикации, посветени на фулерените, достигна около 15 хиляди. Според авторите, откриване на фулерени- нова форма на съществуване на въглерод - един от най-често срещаните елементи на нашата планета - е призната за едно от най-важните открития в науката на 20 век. Въпреки отдавна известната уникална способност на въглеродните атоми да се свързват в сложни разклонени и обемисти молекулярни структури, което е в основата на цялата органична химия, възможността за образуване на стабилни рамкови молекули само от един въглерод все още се оказа неочаквана. Според данните, експериментално потвърждение, че молекули от този тип от 60 или повече атома могат да възникнат в хода на естествено протичащи процеси в природата, е получено през 1985 г., но много преди това вече се предполага стабилността на молекулите със затворена въглеродна сфера .
Откриване на фулеренипряко свързани с изучаването на процесите на сублимация и кондензация на въглерод.
Нов етап в фулерениидва през 1990 г., когато е разработен метод за получаване на нови съединения в грамови количества и е описан метод за изолиране на фулерени в чиста форма. След това са установени най-важните структурни и физикохимични характеристики на C 60 фулерена. Изомерът C60 (бакминстерфулерен) е най-лесно образуваното съединение сред известните фулерени. Фулерен C60 получи името си в чест на футуристичния архитект Ричард Бъкминстър Фулър, който създаде структури, чиято куполна рамка се състоеше от петоъгълници и шестоъгълници. Същевременно в процеса на изследване възникна необходимост от обобщаващо название фулерениза обемни конструкции със затворена повърхност (карбонова рамка), поради тяхното разнообразие.
Също така си струва да се отбележи, че цяла линия от въглеродни материали е кръстена на Buckminster Fuller: c60 фулерен (buckminster fullerene) също се нарича buckyball (Buckminster Fuller не харесваше името "Buckminster" и предпочиташе съкратеното име "Bucky"). В допълнение, понякога със същия префикс се наричат въглеродни нанотръби - buckityubes, яйцевидни фулерени - buckyegg (buckyball egg) и др.
ICM (www.уебсайт)
Свойства на фулерените. Фулерит
Свойства на фулеренанедостатъчно проучени поради обективни причини: сравнително малък брой лаборатории имат възможност да изследват тези свойства. Но в периодичния и научно-популярния печат толкова много внимание се отделя на фулерените и техните свойства... Често непроверената информация за чудотворните свойства на фулерените се разпространява с удивителна скорост и в огромен мащаб, в резултат на което слабият глас на откази остава нечут. Например твърдението на една група учени, че фулерените присъстват в шунгита, е многократно потвърдено, но не е потвърдено (виж дискусията към). Независимо от това, шунгитът днес се смята за "естествен нанотехнологичен материал, съдържащ фулерени" - твърдение, което според мен е по-скоро маркетингов трик.
Някои изследователи твърдят такова тревожно свойство на фулерените като токсичност.
Обикновено, когато говорим за свойства на фулеренитеозначава тяхната кристална форма - фулерити.
Значителна разлика фулеренови кристалиот молекулярните кристали на много други органични вещества, тъй като те не успяват да наблюдават течна фаза. Може би това се дължи на факта, че температурата е 1200 Кпреминаването в течно състояние, което се приписва на фулерита C 60, вече надвишава неговата стойност, при което настъпва забележимо разрушаване на въглеродния скелет на самите фулеренови молекули.
Според данните, свойства на фулеренитеаномално висока стабилност, което се доказва от резултатите от изследванията на процеси с участието на фулерени, е един от тях. По-специално авторът отбелязва, че кристален фулеренсъществува като стабилно вещество до температури 1000 - 1200 K, което се обяснява с неговата кинетична стабилност. Вярно, това се отнася до стабилността на молекулата на фулерена C60 в инертна аргонова атмосфера, а в присъствието на кислород се наблюдава значително окисление вече при 500 K с образуването на CO и CO 2 .
Работата е посветена на цялостно изследване на електрофизичните и термодинамичните свойства на фулерити C60 и C70 при условия на екстремно ударно натоварване.
Във всеки случай, когато се обсъждат свойствата на фулерените, е необходимо да се уточни кое съединение се има предвид - C20, C60, C70 или друго, естествено свойствата на тези фулерени ще бъдат напълно различни.
Понастоящем фулерени С60, С70и продуктите, съдържащи фулерени, се произвеждат и предлагат за продажба от различни чуждестранни и местни предприятия, следователно купете фулерении се заемете чрез изучаване на свойствата на фулеренитетеоретично всеки може. Фулерените C60 и C70 се предлагат на цени, вариращи от $15 до $210 за грам и повече, в зависимост от вида, чистотата, количеството и други фактори. Производство и продажба на фулерени »
Фулерени в чугуни и стомани
Приемайки съществуването фулерени и фулеренови структури в желязо-въглеродни сплави, тогава те трябва да повлияят значително на физико-механичните свойства на стоманите и чугуните, участващи в структурни и фазови трансформации.
ICM (www.уебсайт)
Механизмите на кристализация на желязо-въглеродни сплави отдавна са обект на много голямо внимание от изследователите на тези процеси. В статията се разглеждат възможните механизми за образуване на нодуларен графит в чугун с висока якост и характеристиките на неговата структура, само като се вземат предвид фулеренов характер на желязо-въглеродни сплави. Авторът пише, че "с откриването на фулерени и структури, базирани на фулерени, в редица работи са направени опити да се обясни механизмът на образуване на нодуларен графит, базиран на тези структури."
Работата разглежда постиженията в областта на химията на фулерените и обобщава "нови идеи за структурата на стопилките желязо-въглерод". Авторът твърди, че молекулярната форма на въглерода е фулерени С60- идентифициран от него в желязо-въглеродни сплави, разтопени по методите на класическата металургия, и също така разкрива три възможни механизма за появата фулерени в структурата на стомани и чугуни:
По едно време преди 5 години избрахме фулерени шестоъгълник като лого на сайта www.site, като символ на най-новите постижения в областта на изследването на желязо-въглеродни стопилки, като символ на нови разработки и открития, свързани с модификацията на Fe-C стопилка - неразделна част от модерното леярство и малката металургия.
Лит.:
Най-ефективният начин за получаване на фулерени се основава на термичното разлагане на графит. При умерено нагряване на графита връзката между отделните слоеве графит се разкъсва, но изпаряващият се материал не се разлага на отделни атоми. В този случай изпареният слой се състои от отделни фрагменти, които са комбинация от шестоъгълници. Тези фрагменти образуват молекулата C60 и други фулерени. За разлагането на графит при производството на фулерени се използва резистивно и високочестотно нагряване на графитен електрод, изгаряне на въглеводороди, лазерно облъчване на повърхността на графит, изпаряване на графит от фокусиран слънчев лъч. Тези процеси се извършват в буферен газ, който обикновено е хелий. Най-често за получаване на фулерени се използва дъгов разряд с графитни електроди в хелиева атмосфера. Основната роля на хелия е свързана с охлаждането на фрагменти, които имат висока степен на вибрационно възбуждане, което им пречи да се комбинират в стабилни структури. Оптималното налягане на хелия е в диапазона 50-100 Torr.
Основата на метода е проста: между два графитни електрода се запалва електрическа дъга, в която анодът се изпарява. По стените на реактора се отлагат сажди, съдържащи от 1 до 40% (в зависимост от геометричните и технологични параметри) фулерени. За извличане на фулерени от сажди, съдържащи фулерени, се използват разделяне и пречистване, течна екстракция и колонна хроматография. На първия етап саждите се третират с неполярен разтворител (толуен, ксилен, въглероден дисулфид). Ефективността на екстракцията се осигурява чрез използването на апарат на Сокслет или ултразвук. Полученият разтвор на фулерени се отделя от утайката чрез филтруване и центрофугиране, разтворителят се дестилира или изпарява. Твърдата утайка съдържа смес от фулерени, разтворени в различна степен от разтворителя. Разделянето на фулерени в отделни съединения се извършва чрез колонна течна хроматография или течна хроматография под високо налягане. Пълното отстраняване на остатъка от разтворителя от пробата от твърд фулерен се извършва чрез задържане при температура 150-250 °C в условия на динамичен вакуум в продължение на няколко часа. Допълнително повишаване на чистотата се постига чрез сублимиране на пречистени проби
8. Перспективи за практическо използване на фулерени и фулерити
Откриването на фулерените вече доведе до създаването на нови клонове на физиката и химията на твърдото тяло (стереохимия). Биологичната активност на фулерените и техните производни се изучава активно. Доказано е, че представителите на този клас са способни да инхибират различни ензими, да предизвикват специфично разцепване на ДНК молекули, да насърчават преноса на електрони през биологични мембрани и да участват активно в различни редокс процеси в организма. Започна работа по изследване на метаболизма на фулерените, специално внимание се обръща на антивирусните свойства. Доказано е по-специално, че някои фулеренови производни са способни да инхибират протеазата на вируса на СПИН. Широко се обсъжда идеята за създаване на противоракови лекарства на базата на водоразтворими ендоедрални съединения на фулерени с радиоактивни изотопи. Но тук ще се спрем главно на перспективите за използване на фулеренови материали в техниката и електрониката.
Възможност за получаване на свръхтвърди материали и диаманти.Големи надежди се възлагат на опитите за използване на фулерен, който има частична sp^3 хибридизация, като суровина, която замества графита при синтеза на диаманти, подходящи за техническа употреба. Японски изследователи, които изследваха ефекта на налягането върху фулерена в диапазона 8-53 GPa, показаха, че преходът фулерен-диамант започва при налягане от 16 GPa и температура от 380 K, което е много по-ниско от
за преход графит-диамант. Доказано е, че е възможно да се
големи (до 600-800 микрона) диаманти при температура 1000 °C и налягане до 2 GPa. Изходът от големи диаманти в този случай достига 33 тегл. %. Линиите на рамановско разсейване с честота 1331 cm^-1 са с ширина 2 cm^-1, което показва високото качество на получените диаманти. Активно се изучава и възможността за получаване на свръхтвърди фулеритни фази, полимеризирани под налягане.
Фулерени като прекурсори за растеж на диамантени филми и силициев карбид.Филмите от широкозонни полупроводници, като диамант и силициев карбид, са обещаващи за използване във високотемпературна, високоскоростна електроника и оптоелектроника, включително ултравиолетовия диапазон. Цената на такива устройства зависи от развитието на методите за химическо отлагане на филм с широк процеп (CVD) и съвместимостта на тези методи със стандартната силициева технология. Основният проблем при растежа на диамантени филми е реакцията да се насочи преференциално по пътя на образуване на фазата sp^3 ине sp^2. Изглежда ефективно да се използват фулерени в две посоки: увеличаване на скоростта на образуване на диамантени нуклеационни центрове върху субстрата и използването им като подходящи "строителни елементи" за отглеждане на диаманти в газова фаза. Беше показано, че фрагментирането на C60 върху C2, които са подходящи материали за растеж на диамантени кристали. MER Corporation получи висококачествени диамантени филми със скорост на растеж от 0,6 µm/h, използвайки фулерени като прекурсори за растеж и нуклеация. Авторите прогнозират, че този висок темп на растеж ще намали значително цената на CVD диамантите. Значително предимство е, че фулерените улесняват процесите на съвпадение на параметрите на решетката по време на хетероепитаксия, което прави възможно използването на IR материали като субстрати.
Съществуващите в момента процеси за производство на силициев карбид изискват използването на температури до 1500 °C, което е слабо съвместимо със стандартната силициева технология. Въпреки това, използвайки фулерени, силициевият карбид може да бъде получен чрез отлагане на филм C60 върху силициева подложка с допълнително отгряване при температура не по-висока от 800–900 ° C при скорост на растеж от 0,01 nm / s върху Si подложка.
Фулерените като материал за литография.Поради способността да полимеризират под действието на лазерен или електронен лъч и да образуват фаза, неразтворима в органични разтворители, използването им като резист за субмикронна литография е перспективно. В същото време фулереновите филми издържат на значително нагряване, не замърсяват субстрата и позволяват сухо проявяване.
Фулерените като нови материали за нелинейната оптика.Материали, съдържащи фулерени (разтвори, полимери, течности със силно нелинейни оптични свойства, са обещаващи за използване като оптични ограничители (атенюатори) на интензивно лазерно лъчение; фоторефрактивни среди за запис на динамични холограми; честотни преобразуватели; устройства за фазово конюгиране.
Най-проучената област е създаването на оптични ограничители на мощността на базата на разтвори и твърди разтвори на C60. Ефектът от ограничението на нелинейното предаване започва от около 0,2 - 0,5 J/cm^2, нивото на наситено оптично предаване съответства на 0,1 - 0,12 J/cm 2 . Тъй като концентрацията в разтвора се увеличава, нивото на ограничаване на енергийната плътност намалява. Например, при дължина на пътя в пробата от 10 mm (колимиран лъч) и концентрации на разтвор на C60 в толуен от 1*10^-4, 1,65*10^-4 и 3,3*10^-4 M, наситеното пропускане на оптичния ограничител се оказа съответно 320, 165 и 45 mJ/cm 2 . Показано е, че при дължина на вълната от 532 nm за различна продължителност на импулса t (500 fs, 5 ps, 10 nsec), нелинейното оптично ограничение се проявява при енергийни плътности от 2, 9 и 60 mJ/cm^2. При високи плътности на входната енергия (повече от 20 J/cm^2), в допълнение към ефекта на нелинейно наситено поглъщане от възбуденото ниво, се наблюдава дефокусиране на лъча в пробата, което е свързано с нелинейна абсорбция, увеличаване на пробата температура и промяна в индекса на пречупване в областта на преминаване на лъча. За по-високи фулерени ръбът на абсорбционните спектри се измества към по-дълги дължини на вълната, което прави възможно получаването на оптично ограничение до n = 1.064 μm.
За да се създаде оптичен ограничител в твърдо състояние, от съществено значение е да се въведат фулерени в матрица в твърдо състояние, като същевременно се поддържа молекулата като цяло и се образува хомогенен твърд разтвор. Също така е необходимо да се избере матрица с висока радиационна устойчивост, добра прозрачност и високо оптично качество. Като матрици в твърдо състояние се използват полимери и стъкловидни материали. Съобщава се за успешно получаване на твърд разтвор на C60 в SiO 2 въз основа на използването на зол-гел технология. Пробите имаха оптична граница от 2-3 mJ/cm^2 и праг на увреждане от повече от 1 J/sv^2. Оптичен ограничител върху полистиролова матрица също е описан и е показано, че в този случай ефектът на оптичното ограничаване е 5 пъти по-добър, отколкото за C60 в разтвор. Когато фулерените се въвеждат в лазерни фосфатни стъкла, беше показано, че фулерените C60 и C70 в стъклата не се разрушават и механичната якост на стъклата, легирани с фулерени, е по-висока от тази на чистите стъкла.
Интересно приложение на нелинейно-оптичното ограничаване на мощността на излъчване е използването на фулерени в лазерната кухина за потискане на пиковия режим по време на самозаключване на режимите. Високата степен на нелинейност на среда с фулерени може да се използва като бистабилен елемент за компресиране на импулси в наносекундния диапазон на продължителност.
Наличие на фулерени в електронната структура пи-електронни системи води, както е известно, до голяма стойност на нелинейна чувствителност, което предполага възможността за създаване на ефективни генератори на третия оптичен хармоник. Наличието на ненулеви компоненти на тензора на нелинейната чувствителност x (3) е необходимо условие за осъществяване на процеса на генериране на третата хармоника, но за практическото му използване с ефективност от десетки процента е необходимо да има фазово съгласуване в средата. Ефективно генериране
могат да бъдат получени в слоести структури с квазифазово съвпадение на взаимодействащи вълни. Слоевете, съдържащи фулерен, трябва да имат дебелина, равна на дължината на кохерентното взаимодействие, а слоевете, които ги разделят с практически нулева кубична чувствителност, трябва да имат дебелина, която осигурява фазово изместване с пимежду излъчването на основната честота и третата хармонична.
Фулерените като нови полупроводникови и наноструктурни материали.Фулеритите като полупроводници със забранена зона от около 2 eV могат да се използват за създаване на полеви транзистори, фотоволтаични устройства, слънчеви клетки и има примери за такава употреба. Въпреки това, те трудно могат да се конкурират по параметри с конвенционалните устройства с напреднала технология, базирана на Si или GaAs. Много по-обещаващо е използването на фулереновата молекула като готов наноразмерен обект за създаване на наноелектронни устройства и устройства, базирани на нови физически принципи.
Фулеренова молекула, например, може да бъде поставена върху повърхността на субстрат по предварително определен начин с помощта на сканиращ тунелен (STM) или атомно-силов (AFM) микроскоп и използвана като метод за запис на информация. За разчитане на информацията повърхността се сканира със същата сонда. В същото време 1 бит информация е наличието или отсъствието на молекула с диаметър 0,7 nm, което прави възможно постигането на рекордна плътност на запис на информация. Такива експерименти се провеждат в Bell. Интерес за обещаващи устройства с памет представляват ендоедрични комплекси от редкоземни елементи като тербий, гадолиний и диспрозий, които имат големи магнитни моменти. Фулерен, съдържащ такъв атом, трябва да има свойствата на магнитен дипол, чиято ориентация може да се контролира от външно магнитно поле. Тези комплекси (под формата на под-еднослоен филм) могат да служат като основа на магнитна среда за съхранение с плътност на запис до 10^12 bit/cm^2 (за сравнение, оптичните дискове могат да постигнат повърхностна плътност на запис от 10^8 bit/cm^2).
Фигура 12 . Схематична диаграма на едномолекулен транзистор на молекулата C60
Бяха разработени физически принципи за създаване на аналог на транзистор на базата на една фулеренова молекула, която може да служи като усилвател в наноамперния диапазон ( ориз. 12). Два точкови наноконтакта са разположени на разстояние около 1-5 nm от едната страна на молекулата C60. Един от електродите е източникът, другият играе ролята на дренаж. Третият електрод (решетка) е малък пиезоелектричен кристал и се довежда до разстоянието на Ван дер Ваалс от другата страна на молекулата. Входният сигнал се подава към пиезоелектричния елемент (накрайник), който деформира молекулата, разположена между електродите - сорс и дрейн, и модулира проводимостта на вътрешномолекулния преход. Прозрачността на канала на потока на молекулния ток зависи от степента на размиване на вълновите функции на метала в областта на фулереновата молекула. Прост модел на този транзисторен ефект е тунелна бариера, чиято височина се модулира независимо от нейната ширина, т.е. молекулата C60 се използва като естествена тунелна бариера. Предполагаемите предимства на такъв елемент са малкият размер и много краткото време на полет на електроните в тунелен режим в сравнение с балистичния случай, откъдето и по-бързата реакция на активния елемент. Разглежда се възможността за интегриране, т.е. създаване на повече от един активен елемент на молекула C60.
Въглеродни наночастици и нанотръби
След откриването на фулерени C60 и C70, при изследване на продукти, получени от изгарянето на графит в електрическа дъга или мощен лазерен лъч, бяха открити частици, състоящи се от въглеродни атоми, имащи правилна форма и размер от десетки до стотици нанометри и следователно те получиха името освен фулерени също и наночастици .
Възниква въпросът защо отне толкова време, за да се открият фулерени, получени от толкова често срещан материал като графит? Има две основни причини: първо, ковалентната връзка на въглеродните атоми е много силна: за да се скъса, са необходими температури над 4000 ° C; второ, за откриването им е необходима много сложна апаратура - трансмисионни електронни микроскопи с висока разделителна способност. Както вече е известно, наночастиците могат да имат най-странни форми. Различни въглеродни образувания са представени в известни форми. От практическа гледна точка най-голям интерес за наноелектрониката, която сега измества микроелектрониката, представляват нанотръбите. Тези въглеродни образувания са открити през 1991 г. от японския учен С. Иджима. Нанотръбите са крайни графитни плоскости, навити под формата на цилиндър; те могат да бъдат с отворен или затворен край. Тези образувания са интересни и от чисто научна гледна точка, като модел на едномерни структури. Наистина вече са открити еднослойни нанотръби с диаметър 9 A (0,9 nm). На страничната повърхност въглеродните атоми, както в графитната равнина, са разположени във възлите на шестоъгълници, но в чашите, които затварят цилиндрите от краищата, могат да съществуват и петоъгълници и триъгълници. Най-често нанотръбите се формират под формата на коаксиални цилиндри.
Основната трудност при изучаването на свойствата на образуванията от нанотръби е, че понастоящем те не могат да бъдат получени в макроскопични количества, така че аксиалните оси на тръбите да са еднопосочни. Както вече беше отбелязано, нанотръбите с малък диаметър служат като отличен модел за изследване на характеристиките на едномерните структури. Може да се очаква, че нанотръбите, подобно на графита, са добри проводници на електрически ток и, вероятно, са свръхпроводници. Изследванията в тези насоки са въпрос на близко бъдеще.
Фулеренът е молекулно съединение, принадлежащо към класа на алотропните форми на въглерода и представляващо изпъкнали затворени полиедри, съставени от четен брой трикоординирани въглеродни атоми. Уникалната структура на фулерените определя техните уникални физични и химични свойства.
Други форми на въглерод: графен, карбин, диамант, фулерен, въглеродни нанотръби, мустаци.
Описание и структура на фулерена:
Фулерен, бакибол или бакибол е молекулно съединение, принадлежащо към класа на алотропните форми. въглероди представляващи изпъкнали затворени полиедри, съставени от четен брой трикоординирани въглеродни атоми.
Фулерените са кръстени по този начин на инженера и архитект Ричард Бъкминстър Фулър, който е проектирал и изградил пространствената структура на "геодезичния купол", който представлява полукълбо, сглобено от тетраедри. Този дизайн донесе на Фулър международно признание и слава. Днес, според неговите разработки, се разработват и изграждат куполни къщи. Фулеренът по своята структура и форма прилича на тези конструкции на Ричард Бъкминстър Фулър.
Уникалната структура на фулерените определя техните уникални физични и химични свойства. В комбинация с други вещества те правят възможно получаването на материали с принципно нови свойства.
В фулеренови молекули, атоми въглеродразположени във върховете на шестоъгълниците и петоъгълниците, които изграждат повърхността на сфера или елипсоид. Най-симетричният и най-пълно проучен представител на семейството на фулерените е фулеренът (C 60), в който въглеродните атоми образуват пресечен икосаедър, състоящ се от 20 шестоъгълниции 12 петоъгълника и наподобява футболна топка (като идеална форма, изключително рядка в природата).
Следващият най-често срещан е C 70 фулеренът, който се различава от C 60 фулерена по вмъкването на колан от 10 атома въглеродв екваториалната област C 60 , в резултат на което молекулата на фулерена C 60 е удължена и наподобява по своята форма топка за ръгби.
Така наречените висши фулерени, съдържащи по-голям брой въглеродни атоми (до 400 или повече), се образуват в много по-малки количества и често имат доста сложен изомерен състав. Сред най-изследваните висши фулерени може да се открои C н, където н= 74, 76, 78, 80, 82 и 84.
Връзката между върховете, ръбовете и лицата на фулерена може да се изрази с математическа формула съгласно теоремата на Ойлер за полиедри:
V - P + G = 2,
където B е броят на върховете на изпъкналия многостен, P е броят на неговите ръбове, а Γ е броят на лицата.
Необходимо условие за съществуването на изпъкнал полиедър според теоремата на Ойлер (и съответно за съществуването на фулерен с определена структура и форма) е наличието на точно 12 петоъгълни лица и B /2 — 10 лица.
Възможността за съществуването на фулерен е предсказана от японски учени през 1971 г., теоретичната обосновка е направена от съветски учени през 1973 г. Фулеренът е синтезиран за първи път през 1985 г. в САЩ.
Почти всички фулерени се получават изкуствено. В природата се среща в много малки количества. Образува се при изгаряне на природен газ и мълния, а също така се намира в много малки количества в шунгити, фулгурити, метеорити и дънни седименти, чиято възраст достига 65 милиона години.
Фулеренови съединения:
Фулеренът лесно влиза в съединения с други химични елементи. В момента на базата на фулерени вече са синтезирани повече от 3 хиляди нови и производни съединения.
Ако молекулата на фулерена, в допълнение към въглеродните атоми, включва атоми на други химични елементи, тогава ако атомите на други химични елементи са разположени вътре в въглеродната клетка, такива фулерени се наричат ендоедрални, ако са извън - екзоедрални.
Предимства и свойства на фулерена:
- материалите с използване на фулерени имат повишена якост, устойчивост на износване, термична и химическа стабилност и намалена абразия,
– механичните свойства на фулерените позволяват използването им като високоефективна антифрикционна твърда смазка. Върху повърхностите на противотелата те образуват защитен фулерен-полимерен филм с дебелина десетки и стотици нанометри, който предпазва от термична и окислителна деградация, увеличава живота на фрикционните възли в аварийни ситуации с 3-8 пъти, повишава термичната стабилност на смазочни материали до 400-500 ° C и носещата способност на триещите се единици с 2-3 пъти, разширява обхвата на работното налягане на триещите се единици с 1,5-2 пъти, намалява времето за работа на противотелата,
– фулерените са способни да полимеризират и да образуват тънки филми,
– рязко намаляване на прозрачността на разтвора на фулерена, когато интензитетът на оптичното излъчване надвиши определена критична стойност поради нелинейни оптични свойства,
– възможността за използване на фулерени като основа за нелинейни оптични затвори, използвани за защита на оптични устройства от интензивно оптично излъчване,
- фулерените имат способността да проявяват свойствата на антиоксидант или окислител. Като антиоксидантипревишават действието на всички известни антиоксиданти 100-1000 пъти. Експериментите са проведени върху плъхове, хранени с фулерени в зехтин. В същото време плъховете живеят два пъти по-дълго от обикновено и освен това показват повишена устойчивост към действието на токсични фактори,
– е полупроводник със забранена зона ~1,5 eVи неговите свойства са в много отношения подобни на тези на други полупроводници,
– C60 фулерените, действащи като лиганд, взаимодействат с алкални и някои други метали. В този случай се образуват комплексни съединения от състава Me 3 C60, които имат свойствата на свръхпроводници.
Свойства на фулереновата молекула*:
* за C60 фулерен.
Получаване на фулерени:
Основните начини за получаване на фулерени са:
– изгаряне на графитни електроди в електрическа дъга в хелиева атмосфера при ниско налягане,
– лекарства и фармацевтични препарати,
– геомодификатори на триене,
- козметика,
- като добавка за получаване синтетични диамантиметод с високо налягане. Добивът на диаманти се увеличава с 30%,
Автоматична система за машинно доене на крави "Сти...
квантов компютър
Електрически автобус с динамично презареждане...
Здрав лаптоп на базата на Elbrus-1C+...
Фулерен, бакибол, или бакибол- молекулно съединение, принадлежащо към класа на алотропните форми на въглерода и представляващо изпъкнали затворени полиедри, съставени от четен брой трикоординирани въглеродни атоми. Фулерените дължат името си на инженера и архитект Ричард Бъкминстър Фулър, чиито геодезични структури са изградени на този принцип. Първоначално този клас съединения е ограничен до структури, съдържащи само петоъгълни и шестоъгълни лица. Обърнете внимание, че за съществуването на такъв затворен полиедър, изграден от нвърхове, които образуват само петоъгълни и шестоъгълни лица, съгласно теоремата на Ойлер за многостени, която потвърждава валидността на равенството | n | − | д | + | е | = 2 (\displaystyle |n|-|e|+|f|=2)(където | n | , | д | (\displaystyle |n|,|e|)и | е | (\displaystyle |f|)съответно броят на върховете, ръбовете и лицата), необходимо условие е наличието на точно 12 петоъгълни лица и n / 2 − 10 (\displaystyle n/2-10)шестоъгълни ръбове. Ако молекулата на фулерена, в допълнение към въглеродните атоми, включва атоми на други химични елементи, тогава ако атомите на други химични елементи са разположени вътре в въглеродната клетка, такива фулерени се наричат ендоедрални, ако са извън - екзоедрални.
Енциклопедичен YouTube
1 / 2
✪ Бил Джой: От какво се тревожа, от какво се вълнувам
✪ 12 * L "homme qui empoisonna l" Humanité en voulant la sauver
субтитри
Преводач: Марина Гаврилова Редактор: Ахмет Юкселтюрк Какви технологии реално можем да използваме, за да намалим глобалната бедност? Това, което разбрах, беше доста неочаквано. Започнахме да разглеждаме неща като смъртността през двадесети век и как нещата са се подобрили оттогава и се появиха някои много интересни и прости неща. Може да изглежда, че антибиотиците, а не чистата вода са изиграли решаваща роля, но всъщност е точно обратното. И много прости неща - готови технологии, които бяха лесни за намиране в ранните дни на интернет - биха могли драматично да променят този проблем. Но гледайки по-мощни технологии като нанотехнологии и генно инженерство и други нововъзникващи цифрови технологии, се загрижих за потенциални злоупотреби в тези области. Помислете за това, защото в историята преди много години сме имали работа с експлоатацията на човек от човек. Тогава измислихме десет заповеди: Не убивай. Това е вид лично решение. Нашите селища започнаха да се организират в градове. Населението се увеличило. И за да защитим индивида от тиранията на тълпата, ние измислихме понятия като свободата на индивида. След това, за да се справим с големи групи, да речем, на ниво държава, или в резултат на взаимни пактове за ненападение, или в резултат на поредица от конфликти, в крайна сметка стигнахме до един вид споразумение за уреждане, за да запазим мирът. Но днес ситуацията се промени, това е, което хората наричат асиметрична ситуация, когато технологиите са станали толкова мощни, че вече надхвърлят границите на държавата. Вече не държавите, а отделните лица имат потенциален достъп до оръжия за масово унищожение. И това е следствие от факта, че тези нови технологии обикновено са цифрови. Всички сме виждали геномни последователности. При желание всеки може да изтегли генните последователности на патогенните микроорганизми от интернет. Ако желаете, наскоро прочетох в едно научно списание, че щамът на грипа от 1918 г. е твърде опасен за транспортиране. И ако някой трябва да го използва в лабораторни изследвания, се предлага просто да го направи обратно инженерство, за да не застрашава пощата. Такива възможности със сигурност съществуват. По този начин малки групи от хора, които имат достъп до този вид самовъзпроизвеждащи се технологии, независимо дали са биологични или други технологии, представляват ясна опасност. И опасността е, че те всъщност могат да създадат пандемия. И ние нямаме реален опит с пандемии, а освен това, като общество, не сме много добри в справянето с непознати неща. Вземането на превантивни мерки не е в нашата природа. И в този случай технологиите не решават проблема, защото само отварят повече възможности за хората. Ръсел, Айнщайн и други, обсъждайки това по много по-сериозен начин, мисля още в началото на ХХ век, стигнаха до извода, че решението трябва да се взема не само от главата, но и от сърцето. Вземете например откритите дискусии и моралния прогрес. Предимството, което ни дава цивилизацията, е способността да не използваме сила. Нашите права в обществото се защитават основно чрез правни мерки. За да се ограничи опасността от тези нови неща, е необходимо да се ограничи достъпът на хората до източниците на създаване на пандемии. Имаме нужда и от значителни защити, защото действията на лудите хора могат да бъдат непредвидими. И най-досадното е, че да направиш нещо лошо е много по-лесно, отколкото да развиеш защита във всички възможни ситуации; така че извършителят винаги има асиметрично предимство. Това са мислите, които мислех през 1999 и 2000 г.; приятелите ми видяха, че съм депресиран и се тревожат за мен. След това подписах договор да напиша книга, в която възнамерявах да изразя мрачните си мисли, и се преместих в хотелска стая в Ню Йорк с една стая, пълна с книги за чумата и за ядрените бомбардировки в Ню Йорк; създаде атмосфера, с една дума. И аз бях там на 11 септември, стоях на улицата с всички. Случваше се нещо невероятно. Станах на следващата сутрин и напуснах града, всички камиони за почистване бяха паркирани на улица Хюстън, готови да разчистят развалините. Тръгнах по средата на улицата, към гарата; всичко под 14-та улица беше блокирано. Беше невероятно, но не и за тези, които имат стая, пълна с книги. Беше изненадващо, че това се случи тогава и там, но не е изненадващо, че се случи на първо място. Тогава всички започнаха да пишат за това. Хиляди хора започнаха да пишат за това. И в крайна сметка отказах книгата и тогава Крис ми се обади с предложение да говоря на конференция. Повече не говоря за това, защото достатъчно депресиращи неща се случват и без това. Но аз се съгласих да дойда и да кажа няколко думи за това. И бих казал, че не трябва да изоставяме върховенството на закона при справянето с асиметричните заплахи, което хората на власт изглежда правят в момента, защото това е равносилно на изоставяне на цивилизацията. И не можем да се борим със заплахата по глупавия начин, който правим, защото действие за милион долари води до щети за милиарди долари и контрамярка за трилиони долари, която е неефективна и почти сигурно изостря проблема. Не можете да се борите с нещо, ако цената е милион към едно и шансовете за успех са едно към милион. След като отказах книгата преди около година, имах привилегията да се присъединя към Kleiner Perkins и ми беше дадена възможност да работя върху иновациите чрез рисков капитал, опитвайки се да намеря иновации, които могат да бъдат използвани за решаване на големи проблеми. В такива неща разлика от десет пъти може да доведе до печалба от хиляда пъти. Бях изумен миналата година от невероятното качество и импулс на иновациите, които минаха през ръцете ми. На моменти беше просто спиращо дъха. Много съм благодарен на Google и Wikipedia за факта, че разбрах поне малко от това, за което хората говорят. Бих искал да ви разкажа за три области, които ми дават специална надежда по отношение на проблемите, за които писах в статия в списание Wired. Първата област е образованието като цяло и по същество това се отнася до казаното от Никълъс (Николас Негропонте) за компютрите от 100 долара. Законът на Мур далеч не е изчерпан. Най-модерните транзистори днес са 65 нанометра и аз с радост инвестирах в компании, които ми дават голяма увереност, че законът на Мур ще работи до около 10 нанометра. Друго намаляване на размера, да речем, с коефициент 6, трябва да подобри производителността на чиповете с коефициент 100. Така че на практика, ако нещо струва около $1000 днес, да речем най-добрият персонален компютър, който можете да купите, тогава цената му през 2020 г., мисля, може да бъде $10. Не е зле? Представете си колко ще струва този компютър от 100 долара през 2020 г. като средство за обучение. Мисля, че нашето предизвикателство -- и аз съм сигурен, че ще бъде, е да разработим вида учебни помагала и мрежи, които биха ни позволили да използваме това устройство. Убеден съм, че имаме невероятно мощни компютри, но нямаме добър софтуер за тях. И едва след известно време се появява по-добър софтуер, който го стартирате на 10-годишна машина и казвате: „Боже, тази машина можеше ли да работи толкова бързо? „Спомням си, когато интерфейсът на Apple Mac беше върнат на Apple II. Apple II работеше добре с този интерфейс, просто не знаехме как да го направим по това време. Въз основа на факта, че законът на Мур работи за 40 години можем да предположим, че ще бъде така. Тогава ще знаем какви ще бъдат компютрите през 2020 г. Страхотно е, че имаме инициативи да образоваме и просветляваме хората по света, защото това е великата сила на света. И ние може да осигури на всеки по света компютър от 100 долара или компютър от 10 долара през следващите 15 години. Втората област, върху която се фокусирам, е въпросът за околната среда, защото има силно въздействие върху целия свят. Ал Гор скоро ще говори повече за това .Смятаме, че има един вид тенденция на закона на Мур, че новите материали са движещата сила зад прогреса в областта на екологията. Предстои ни трудна задача, защото градското население е прераснало в това m век от 2 на 6 милиарда за много кратък период от време. Хората се местят в градовете. Всеки има нужда от чиста вода, енергия, транспортни средства и ние искаме да развиваме градовете по зелен път. Индустриалните сектори са доста ефективни. Направихме подобрения в енергийната и ресурсната ефективност, но потребителският сектор, особено в Америка, е много неефективен. Новите материали носят такава невероятна иновация, че има основателна причина да се надяваме, че ще бъдат достатъчно печеливши, за да излязат на пазара. Искам да дам конкретен пример за нов материал, открит преди 15 години. Това са въглеродни нанотръби, които Iijima открива през 1991 г. и имат невероятни свойства. Това са нещата, които откриваме, когато започнем да проектираме на нано ниво. Тяхната сила е в това, че това е практически най-здравият материал, най-устойчивият на разтягане познат. Те са много, много твърди и имат много малко разтягане. В две измерения, например, ако се направят плат, тогава той ще бъде 30 пъти по-здрав от кевлара. И ако направите триизмерна структура, като топка за баки, тя ще има невероятни свойства. Ако го бомбардирате с частици и пробиете дупка в него, той ще се поправи, ще се поправи бързо, в рамките на фемтосекунди, което не е... Много бързо. (Смях) Ако го запалите, той генерира електричество. Фотосветкавицата може да предизвика запалване. Когато се наелектризира, той излъчва светлина. През него може да премине хиляди пъти повече ток, отколкото през парче метал. Те могат да бъдат направени както в p-, така и в n-тип полупроводници, което означава, че могат да бъдат направени в транзистори. Те провеждат топлина по дължина, но не и напречно - тук не може да се говори за дебелина, а само за напречна посока - ако ги поставите един върху друг; това също е свойство на въглеродните влакна. Ако поставите частици в тях и ги изстреляте, те действат като миниатюрни линейни ускорители или електронни пушки. Вътрешността на нанотръбите е толкова малка - най-малката от тях е 0,7 nm - че по същество това вече е квантов свят. Това странно пространство е вътре в нанотръбата. Така че започваме да разбираме и вече има готови бизнес планове, неща, за които говори Лиза Рандел. Имах един бизнес план, в който се опитах да науча повече за струните на Witten от космически измервания, за да се опитам да разбера какво се случва в предложения наноматериал. Така че ние наистина вече сме на границата вътре в нанотръбата. Тоест виждаме, че е възможно да създаваме неща с различни свойства от тези и други нови материали – леки и здрави – и да използваме тези нови материали за решаване на екологични проблеми. Нови материали, които могат да създават вода, нови материали, които могат да накарат горивните клетки да работят по-добре, нови материали, които катализират химични реакции, които намаляват замърсяването и т.н. Етанол - нови начини за производство на етанол. Нови начини за изграждане на електрически транспорт. Зелена мечта -- защото може да бъде полезна. И ние инвестирахме -- наскоро стартирахме нов фонд, инвестирахме 100 милиона долара в този вид инвестиции. Вярваме, че Genentech, Compaq, Lotus, Sun, Netscape, Amazon и Google ще се появят в тези области, защото тази революция в материалите ще доведе до напредък. Третата област, върху която работим, която току-що обявихме миналата седмица в Ню Йорк. Създадохме специален фонд от 200 милиона долара за развитие на биосигурността срещу пандемии. И за да ви дам представа, последният фонд, основан от Kleiner, се оценява на 400 милиона долара, така че това е много значителен фонд за него. Какво направихме през последните няколко месеца - преди няколко месеца Рей Кърцвейл и аз написахме авторска статия в The New York Times за това колко опасно е публикуването на генома на грипа от 1918 г. Джон Дер, Брук и други се загрижиха за това [неясно] и ние започнахме да изучаваме как светът се подготвя за пандемия. Видяхме много пропуски. Чудехме се дали е възможно да се намерят такива иновации, които да запълнят тези празнини? И Брукс ми каза на полувремето, че е открил толкова много неща, толкова много вълнение, че не може да заспи, толкова много страхотни технологии, че можем просто да се заровим в тях. Имаме нужда от тях, нали знаеш. Имаме един антивирусен в резерв; казват, че все още работи. Това е Тамифлу. Вирусът Tamiflu обаче е резистентен. Той е резистентен към Tamiflu. От опита със СПИН виждаме, че коктейлите работят добре, тоест са необходими няколко лекарства за резистентност на вируса. Трябва да проучим това по-задълбочено. Имаме нужда от групи, които могат да разберат какво се случва. Имаме нужда от бърза диагностика, за да можем да идентифицираме щам на грип, който е открит едва наскоро. Трябва да можете бързо да извършвате експресна диагностика. Имаме нужда от нови антивирусни лекарства и коктейли. Имаме нужда от нови видове ваксини. Широкоспектърни ваксини. Ваксини, които могат да се произвеждат бързо. Коктейли, по-мощни ваксини. Конвенционалната ваксина действа срещу 3 възможни щама. Не знаем кой е активен. Вярваме, че ако успеем да запълним тези 10 празнини, ще сме в състояние действително да намалим риска от пандемия. Нормалният сезонен грип и пандемията са в съотношение 1:1000 по отношение на смъртните случаи и разбира се въздействието върху икономиката е огромно. Така че ние сме много развълнувани, защото смятаме, че можем да финансираме 10 или поне да ускорим 10 проекта и да ги видим на пазара през следващите няколко години. Така че, ако технологията може да помогне за решаването на проблеми в образованието, околната среда и пандемиите, това ще реши ли по-големия проблем, който обсъждах в списание Wired? Страхувам се, че отговорът наистина е не, защото е невъзможно да се реши проблемът с управлението на технологиите със същата технология. Ако неограничената власт бъде оставена свободно достъпна, тогава много малък брой хора ще могат да я използват за свои собствени цели. Не можеш да се биеш, когато шансовете са милион към едно. Това, от което се нуждаем, са по-ефективни закони. Например, това, което можем да направим, нещо, което все още не е в политическия ефир, но може би със смяна на администрацията ще бъде - е използването на пазарите. Пазарите са много мощна сила. Например, вместо да се опитваме да регулираме проблеми, които вероятно няма да проработят, ако можем да поставим цената на бедствието в цената на правенето на бизнес, така че хората, които работят във високорисковия бизнес, да могат да се хеджират срещу него. . Например, можете да използвате това, за да пуснете на пазара лекарство. Няма да е необходимо да бъде одобрен от регулаторните органи; но ще трябва да убедите застрахователната компания, че е безопасно. И ако приложите концепцията за застраховане в по-голям мащаб, можете да използвате по-мощна сила, силата на пазара, за да осигурите обратна връзка. Как може да се приложи подобно законодателство? Смятам, че такова законодателство трябва да бъде подкрепено. Хората трябва да носят отговорност. Законът изисква отговорност. Към днешна дата учени, технолози, бизнесмени, инженери не носят лична отговорност за последствията от своите действия. Ако правите нещо, трябва да го правите в съответствие със закона. И накрая, мисля, че трябва да направим - почти невъзможно е да кажем - трябва да започнем да проектираме бъдещето. Не можем да изберем бъдещето, но можем да променим посоката му. Нашата инвестиция в опити за предотвратяване на грипни пандемии засяга разпределението на възможните резултати. Може да не успеем да спрем пандемията, но е по-малко вероятно да останем незасегнати, ако се съсредоточим върху този проблем. По този начин можем да проектираме бъдещето, като избираме какво искаме да се случи и предотвратяваме това, което не искаме, и насочваме развитието към място с по-малък риск. Вицепрезидентът Гор ще говори за това как бихме могли да насочим климатичната траектория към зона с ниска вероятност от катастрофа. Но най-важното нещо, което трябва да направим, е да помогнем на добрите момчета, хората в отбраната, да вземем предимство пред хората, които могат да се възползват от ситуацията. И това, което трябва да направим, е да ограничим достъпа до определена информация. Предвид ценностите, с които сме израснали, високата стойност, която придаваме на свободата на словото, е трудна за приемане – трудно е за всички нас да я приемем. Това е особено трудно за учените, които помнят преследванията, на които е бил подложен Галилей, но въпреки това са се борили срещу църквата. Но това е цената на цивилизацията. Цената на запазването на закона е ограничаване на достъпа до неограничена власт. Благодаря за вниманието. (Аплодисменти)
История на откритията
Фулерени в природата
След като са получени в лабораторни условия, въглеродните молекули са открити в някои проби от шунгит от Северна Карелия в американски и индийски фулгурити, метеорити и дънни седименти, които са на възраст до 65 милиона години.
Фулерените също са открити в големи количества в космоса: през 2010 г. под формата на газ, през 2012 г. - в твърда форма.
Структурни свойства
Молекулното образуване на въглерод под формата на пресечен икосаедър има маса от 720 amu. т. В молекулите на фулерена въглеродните атоми са разположени във върховете на шестоъгълници и петоъгълници, които изграждат повърхността на сфера или елипсоид. Най-симетричният и най-пълно проучен представител на семейството на фулерените е фулеренът (C 60), в който въглеродните атоми образуват пресечен икосаедър, състоящ се от 20 шестоъгълника и 12 петоъгълника и наподобяващ футболна топка (като идеална форма, изключително рядка в природата) . Тъй като всеки въглероден атом на фулерен C 60 принадлежи едновременно на два шестоъгълника и един петоъгълник, всички атоми в C 60 са еквивалентни, което се потвърждава от спектъра на ядрено-магнитен резонанс (NMR) на изотоп 13 C - той съдържа само една линия. Въпреки това, не всички C-C връзки са с еднаква дължина. Връзката C=C, която е обща страна за два шестоъгълника, е 1,39 Å, а връзката C-C, която е обща за шестоъгълник и петоъгълник, е по-дълга и равна на 1,44 Å. Освен това връзката на първия тип е двойна, а на втория е единична, което е от съществено значение за химията на C 60 фулерена. Всъщност изследването на свойствата на фулерените, получени в големи количества, показва разпределението на техните обективни свойства (химична и сорбционна активност) в 4 стабилни фулеренови изомера, свободно определени от различни времена на излизане от сорбционната колона на течен хроматограф с висока разделителна способност . В този случай атомната маса на всичките 4 изомера е еквивалентна - има маса от 720 amu. Яжте.
Следващият най-разпространен е C 70 фулеренът, който се различава от C 60 фулерена по това, че вмъква колан от 10 въглеродни атома в екваториалната област на C 60, в резултат на което молекулата 34 е удължена и наподобява по своята форма топка за ръгби .
Така наречените висши фулерени, съдържащи по-голям брой въглеродни атоми (до 400), се образуват в много по-малки количества и често имат доста сложен изомерен състав. Сред най-изследваните висши фулерени може да се открои C н , н=74, 76, 78, 80, 82 и 84.
Синтез
Първите фулерени са изолирани от кондензирани графитни пари, получени чрез лазерно облъчване на твърди графитни проби. Всъщност това бяха следи от веществото. Следващата важна стъпка е направена през 1990 г. от W. Kretchmer, Lamb, D. Huffman и други, които разработват метод за получаване на грамови количества фулерени чрез изгаряне на графитни електроди в електрическа дъга в хелиева атмосфера при ниско налягане. В процеса на ерозия на анода върху стените на камерата се утаяват сажди, съдържащи определено количество фулерени. Саждите се разтварят в бензен или толуен и от получения разтвор се изолират грамови количества молекули С 60 и С 70 в чиста форма в съотношение 3: 1 и приблизително 2% по-тежки фулерени. Впоследствие беше възможно да се изберат оптималните параметри на изпаряване на електрода (налягане, атмосферен състав, ток, диаметър на електрода), при които се постига най-висок добив на фулерени, средно 3–12% от анодния материал, което в крайна сметка определя високия цена на фулерени.
Отначало всички опити на експериментаторите да намерят по-евтини и по-продуктивни методи за получаване на грамови количества фулерени (изгаряне на въглеводороди в пламък, химичен синтез и др.) Не доведоха до успех, а методът на дъгата остана най-продуктивен за дълго време (производителността е около 1 g / h) . Впоследствие Mitsubishi успя да установи промишлено производство на фулерени чрез изгаряне на въглеводороди, но такива фулерени съдържат кислород и следователно дъговият метод все още е единственият подходящ метод за получаване на чисти фулерени.
Механизмът на образуване на фулерени в дъгата все още остава неясен, тъй като процесите, протичащи в областта на изгаряне на дъгата, са термодинамично нестабилни, което значително усложнява тяхното теоретично разглеждане. Неопровержимо е установено само, че фулеренът е сглобен от отделни въглеродни атоми (или С2 фрагменти). За доказателство, високо пречистен 13 C графит е използван като аноден електрод, другият електрод е направен от обикновен 12 C графит. повърхността на фулерена. Това показва разпадането на графитния материал до отделни атоми или фрагменти от атомното ниво и тяхното последващо сглобяване в молекула фулерен. Това обстоятелство наложи да се изостави визуалната картина на образуването на фулерени в резултат на сгъването на атомните графитни слоеве в затворени сфери.
Сравнително бързото нарастване на общия брой инсталации за производство на фулерени и постоянната работа за подобряване на методите за тяхното пречистване доведоха до значително намаляване на цената на C 60 през последните 17 години - от 10 хиляди до 10-15 долара на грам, което ги е довело до границата на тяхната реална индустриална употреба.
За съжаление, въпреки оптимизацията на метода Huffman-Kretchmer (HK), не е възможно да се увеличи добивът на фулерени с повече от 10-20% от общата маса на изгорения графит. Поради сравнително високата цена на първоначалния продукт, графит, този метод има фундаментални ограничения. Много изследователи смятат, че няма да е възможно да се намали цената на фулерените, получени по метода XC, под няколко долара за грам. Затова усилията на редица изследователски групи са насочени към намиране на алтернативни методи за получаване на фулерени. Най-голям успех в тази област постигна компанията Mitsubishi, която успя да създаде промишлено производство на фулерени чрез изгаряне на въглеводороди в пламък. Цената на такива фулерени е около $5/грам (2005 г.), което няма ефект върху цената на електродъговите фулерени.
Трябва да се отбележи, че високата цена на фулерените се определя не само от техния нисък добив по време на изгаряне на графит, но и от трудността при изолиране, пречистване и отделяне на фулерени с различни маси от саждите. Обичайният подход е следният: саждите, получени при изгаряне на графит, се смесват с толуен или друг органичен разтворител (способен ефективно да разтваря фулерените), след това сместа се филтрира или центрофугира и останалият разтвор се изпарява. След отстраняване на разтворителя остава тъмна финокристална утайка - смес от фулерени, обикновено наричана фулерит. Съставът на фулерита включва различни кристални образувания: малки кристали от молекули C 60 и C 70 и кристали C 60 /C 70 са твърди разтвори. В допълнение, фулеритът винаги съдържа малко количество висши фулерени (до 3%). Разделянето на смес от фулерени на отделни молекулни фракции се извършва с помощта на течна колонна хроматография и течна хроматография под високо налягане (HPLC). Последният се използва главно за анализиране на чистотата на изолирани фулерени, тъй като аналитичната чувствителност на метода HPLC е много висока (до 0,01%). И накрая, последният етап е отстраняването на остатъците от разтворител от пробата от твърд фулерен. Извършва се чрез задържане на пробата при температура 150-250 °C в условия на динамичен вакуум (около 0,1 Torr).
Физични свойства и приложна стойност
Фулерити
Кондензираните системи, състоящи се от фулеренови молекули, се наричат фулерити. Най-изследваната система от този вид е кристалът C 60, по-малко - кристалната система C 70. Изследванията на кристали от висши фулерени са затруднени от сложността на тяхното получаване.
Въглеродните атоми в молекулата на фулерена са свързани чрез σ- и π-връзки, докато няма химическа връзка (в обичайния смисъл на думата) между отделните фулеренови молекули в кристала. Следователно в кондензирана система отделните молекули запазват своята индивидуалност (което е важно при разглеждането на електронната структура на кристала). Молекулите се задържат в кристала от силите на ван дер Ваалс, определящи до голяма степен макроскопичните свойства на твърдия C 60 .
При стайна температура кристалът C 60 има лицево-центрирана кубична (fcc) решетка с константа от 1,415 nm, но с понижаване на температурата възниква фазов преход от първи ред (T cr ≈ 260) и кристалът C 60 се променя неговата структура до проста кубична (константа на решетката 1,411 nm). При температура T > Tcr, молекулите C 60 се въртят произволно около своя център на равновесие и когато тя падне до критична температура, двете оси на въртене се замразяват. Пълното замразяване на въртенията настъпва при 165 K. Кристалната структура на C 70 при температури от порядъка на стайната температура е изследвана подробно в работата. Както следва от резултатите от тази работа, кристалите от този тип имат тялоцентрирана (bcc) решетка с малка добавка на хексагонална фаза.
Нелинейни оптични свойства
Анализът на електронната структура на фулерените показва наличието на π-електронни системи, за които има големи стойности на нелинейната чувствителност. Фулерените наистина имат нелинейни оптични свойства. Въпреки това, поради високата симетрия на молекулата C 60, генерирането на втори хармоник е възможно само когато в системата е въведена асиметрия (например чрез външно електрическо поле). От практическа гледна точка, високата скорост (~ 250 ps), която определя потискането на втората хармонична генерация, е привлекателна. В допълнение, C 60 фулерените също са способни да генерират трети хармоник.
Друга възможна област за използване на фулерени и на първо място C 60 са оптичните затвори. Възможността за използване на този материал за дължина на вълната от 532 nm е експериментално показана. Краткото време за реакция прави възможно използването на фулерени като ограничители на лазерното лъчение и Q-превключватели. Въпреки това, поради редица причини, за фулерените е трудно да се конкурират тук с традиционните материали. Високата цена, трудностите при диспергиране на фулерени в очила, способността за бързо окисляване във въздуха, нерекордни коефициенти на нелинейна чувствителност и висок праг за ограничаване на оптичното излъчване (неподходящо за защита на очите) създават сериозни трудности в борбата срещу конкурентни материали .
Квантова механика и фулерени
Хидратиран фулерен (HyFn); (C 60 (H 2 O) n)
Хидратираният C 60 - C 60 HyFn фулерен е силен, хидрофилен надмолекулен комплекс, състоящ се от C 60 фулеренова молекула, затворена в първата хидратираща обвивка, която съдържа 24 водни молекули: C 60 @(H 2 O) 24 . Хидратната обвивка се образува поради донорно-акцепторното взаимодействие на несподелени двойки електрони на кислородни молекули на водата с електрон-акцепторни центрове на повърхността на фулерена. В същото време водните молекули, ориентирани близо до повърхността на фулерена, са свързани помежду си чрез обемна мрежа от водородни връзки. Размерът на C 60 HyFn съответства на 1,6-1,8 nm. Понастоящем максималната концентрация на C 60 под формата на C 60 HyFn, която е създадена във вода, е еквивалентна на 4 mg/ml. [ проверете връзката] Снимка на воден разтвор на C 60 HyFn с концентрация на C 60 0,22 mg/ml вдясно.
Фулеренът като материал за полупроводниковата техника
Фулереновият молекулярен кристал е полупроводник със забранена лента от ~1,5 eV и неговите свойства са до голяма степен подобни на тези на други полупроводници. Поради това редица изследвания са свързани с използването на фулерени като нов материал за традиционни приложения в електрониката: диод, транзистор, фотоклетка и др. Тук тяхното предимство пред традиционния силиций е краткото време за фотоотклик (единици от ns). Ефектът на кислорода върху проводимостта на фулереновите филми обаче се оказа значителен недостатък и следователно възникна необходимост от защитни покрития. В този смисъл е по-обещаващо да се използва фулереновата молекула като самостоятелно наномащабно устройство и по-специално като усилващ елемент.
Фулеренът като фоторезист
Под действието на видимо (> 2 eV), ултравиолетово и по-късовълново лъчение фулерените полимеризират и в тази форма не се разтварят от органични разтворители. Като илюстрация на използването на фулеренов фоторезист може да се даде пример за получаване на субмикронна разделителна способност (≈20 nm) чрез ецване на силиций с електронен лъч, като се използва маска от полимеризиран С 60 филм.
Фулеренови добавки за растеж на диамантени филми по метода CVD
Друга интересна възможност за практическо приложение е използването на фулеренови добавки при растежа на диамантени филми по метода CVD (Chemical Vapor Deposition). Въвеждането на фулерени в газовата фаза е ефективно от две гледни точки: увеличаване на скоростта на образуване на диамантени ядра върху субстрата и доставка на градивни елементи от газовата фаза към субстрата. Фрагменти от C 2 действат като градивни елементи, които се оказват подходящ материал за растеж на диамантен филм. Експериментално е доказано, че скоростта на растеж на диамантените филми достига 0,6 μm/h, което е 5 пъти по-високо, отколкото без използването на фулерени. За реална конкуренция между диаманти и други полупроводници в микроелектрониката е необходимо да се разработи метод за хетероепитаксия на диамантени филми, но растежът на монокристални филми върху недиамантени субстрати остава неразрешим проблем. Един възможен начин за решаване на този проблем е използването на фулеренов буферен слой между субстрата и диамантения филм. Предпоставка за изследвания в тази посока е добрата адхезия на фулерените към повечето материали. Тези разпоредби са особено подходящи във връзка с интензивните изследвания на диамантите за тяхното използване в микроелектрониката от следващо поколение. Висока производителност (висока скорост на насищане); Най-високата топлопроводимост и химическа устойчивост от всички известни материали правят диаманта обещаващ материал за следващото поколение електроника.
Свръхпроводящи съединения с C 60
Молекулярните кристали на фулерените са полупроводници, но в началото на 1991 г. беше установено, че допирането на твърд C 60 с малко количество алкален метал води до образуването на материал с метална проводимост, който при ниски температури преминава в свръхпроводник. Легирането с 60 се получава чрез третиране на кристали с метални пари при температури от няколкостотин градуса по Целзий. В този случай се образува структура от типа X 3 C 60 (X е атом на алкален метал). Калият е първият интеркалиран метал. Преходът на съединението K 3 C 60 към свръхпроводящо състояние става при температура 19 K. Това е рекордна стойност за молекулярните свръхпроводници. Скоро беше установено, че много фулерити, легирани с атоми на алкални метали в съотношение X 3 C 60 или XY 2 C 60 (X, Y са атоми на алкални метали) имат свръхпроводимост. Рекордьорът сред високотемпературните свръхпроводници (HTSC) от тези типове беше RbCs 2 C 60 - неговият T cr =33 K.
Влияние на малки добавки от фулеренови сажди върху антифрикционните и противоизносните свойства на PTFE
Трябва да се отбележи, че наличието на фулерен C 60 в минералните лубриканти инициира образуването на защитен фулерен-полимерен филм с дебелина 100 nm върху повърхностите на противотелата. Образуваният филм предпазва от термична и окислителна деградация, увеличава живота на фрикционните възли в аварийни ситуации с 3-8 пъти, термичната стабилност на смазочните материали до 400-500 ° C и носещата способност на фрикционните възли с 2-3 пъти, разширява обхвата на работното налягане на фрикционните възли с 1, 5-2 пъти, намалява времето за работа на противотелата.
Други приложения
Други интересни приложения включват акумулатори и електрически батерии, в които по един или друг начин се използват фулеренови добавки. Тези батерии са базирани на литиеви катоди, съдържащи интеркалирани фулерени. Фулерените могат да се използват и като добавки за производство на изкуствени диаманти по метода на високо налягане. В този случай добивът на диаманти се увеличава с ≈30%.
В допълнение, фулерените са намерили приложение като добавки в набъбващи (набъбващи) огнезащитни бои. Поради въвеждането на фулерени, боята набъбва под въздействието на температурата по време на пожар, образува се доста плътен пенококсов слой, който няколко пъти увеличава времето за нагряване до критичната температура на защитените конструкции.
Освен това фулерените и техните различни химически производни се използват в комбинация с поликонюгирани полупроводникови полимери за производството на слънчеви клетки.
Химични свойства
Фулерените, въпреки липсата на водородни атоми, които могат да бъдат заменени, както в случая на конвенционалните ароматни съединения, все още могат да бъдат функционализирани чрез различни химични методи. Например, такива реакции за функционализиране на фулерени като реакцията на Дилс-Алдер, реакцията на Прато и реакцията на Бингел са успешно приложени. Фулерените могат също да бъдат хидрогенирани, за да образуват продукти от C 60 H 2 до C 60 H 50.
медицинско значение
Антиоксиданти
Фулерените са най-мощните антиоксиданти, известни днес. Средно те превишават 100-1000 пъти действието на всички познати им антиоксиданти. Поради това се предполага, че те могат значително да удължат средната продължителност на живота на плъхове и кръгли червеи. В естествен вид се намира в шунгит и морски въздух. Предполага се, че C60 фулеренът, разтворен в зехтин, може да бъде включен в двуслойни липидни мембрани на клетки и митохондрии и да действа като многократно използваем антиоксидант.