Жоспар

1. Көміртектің аллотропты түрлері

2. Фуллерендер

3. Фуллерендері алу технологиясы

4. Фуллерендердің қолдану аясы

Көміртек - Әлемдегі ең көп таралған элементтердің бірі (ол сутегі, гелий және оттегіден кейін төртінші орында). Сонымен қатар, бұл ядролық синтез процесінде пайда болған бірінші тұрақты элемент. Қызыл алып жұлдыздар жұлдызаралық кеңістікке көміртегінің үлкен мөлшерін шығаратыны белгілі, ал жұлдыз шаңы көміртек шоғырларынан тұруы мүмкін.

Периодтық жүйенің элементтерінің ешқайсысы көміртегіге тән мұндай әртүрлі қасиеттерге және шексіз дерлік әртүрлі химиялық қосылыстарға ие емес. Көміртектің құрылымдық сорттары алуан түрлі қасиеттерге ие. Олар мөлдірліктің стандарты және «мүлдем» қара дене болып табылады; диа- және парамагнетиктер; диэлектриктер мен металдар; жартылай өткізгіштер және жартылай металдар; аса қатты және өте жұмсақ материалдар; жылу изоляторлары мен жылу өткізгіштер, тотықтырғыштар және тотықсыздандырғыштар. Қарапайым зат ретінде көміртегі, сонымен қатар құрамында көміртегі бар материалдар іргелі зерттеулердің дәстүрлі объектілері болып табылады.

Олар көптеген техникалық процестер мен құрылғыларда қолданылады.

Көміртек әртүрлі конфигурациялы атомдардың гомотізбектерін құрудың бірегей қасиетіне ие, сондықтан оның қосылыстарының саны дерлік шексіз және оларды зерттеу органикалық химия пәні болып табылады. Көптеген көміртегі қосылыстары тірі заттың бөлігі болып табылады.

1. Көміртектің аллотропты түрлері

Көміртектің көптеген аллотропты формалары бар. Аллотропия әдетте жай заттардың полиморфизмі деп аталады (полиморфизм – күрделі заттың құрылымдық формаларының алуан түрлілігі).

Көміртек формаларын жіктеу принциптерінің бірі валенттік орбитальдардың будандастыру түрі болып табылады. Көміртек атомдарының сыртқы валенттілігі s– және p– электрондары үш негізгі күйде өмір сүре алатыны белгілі: sp³–, sp²–, sp–гибридтену және аралық күйлер түзеді. sp³ – гибридтену алмаз бен лонсдалейттегі көміртегі атомдарына тән, sp² – гибридтену жазық (екі өлшемді) графен мен графитке тән; sp-гибридтену сызықты тізбекті (бір өлшемді) карбинде көрінеді.

Көміртек атомының электрондық орбитальдарын будандастырудың осы үш негізгі типінің арасында будандастырудың аралық дәрежесі spⁿ (2 <n< 3) болатын көптеген аралық формалар бар. Оларға фуллерендер, алмаз-графит гибридтері және көміртекті нанотүтіктер, нанокондар, нанотороидтар, нанофопролон және т.б. жатады.

Гибридтенудің аралық дәрежесі spⁿ (1 < n < 3) құрылымдар көміртегі атомдарының саны 18, 24, 30 және т.б. моноциклдерді құрайды. Фуллерендер түзу үшін конденсациялануға қабілетті жаңа полициклді құрылымдардың пайда болуына әкелетін осы формалардың «біріктіруі» деп болжанады .

Көміртектің ең көп таралған түрлерінің фазалық диаграммасы ұсынылған. Ол көміртегінің негізгі түрлерінің тіршілік ету аймақтарын көрсетеді.

Жоғары температурада алмас пен графиттің шекарасында фуллерендер мен нанотүтіктердің түзілу аймағы көрсетілген. Көміртектің аллотропты формаларының түрленуі атомдар арасындағы химиялық байланыстың түрінің, кеңістікті толтыру дәрежесінің, координациялық санының және соның салдарынан физикалық қасиеттерінің өзгеруімен жүреді.

2. Фуллерендер

Алғаш 1985 ж фуллерендерді С₆₀ және С₇₀ графитті лазерлі буландыру арқылы масс-спектор өнімдерін алу барысында байқалған. 1990 ж фуллерендерді алу үшін инертті ортада төменгі қысымда электр доға плазмасында графитті буландыру арқылы құрамында фуллерендер бар күйелер алу әдісі қолданылған. Доғалық әдіс фуллерендердің алынуының ұлғаюы мақсатында жетілдірілген.

C₆₀ молекуласы С₆₀ құрылымын еске түсіретін геодезиялық қойманы құрастырған сәулетші және өнертапқыш Р.Бакминстер Фуллердің құрметіне фуллерен деп аталды. Оның 12 бесбұрышты (бесбұрышты) және 20 алтыбұрышты (алтыбұрышты) симметриялы түрде орналасқан беттері бар, олар шарға жақын пішінді құрайды. Шын мәнінде, фуллерен молекуласының геометриясы бес және алты қырлы қырлардан тұратын футбол допының пішініне жақынырақ. Бұл сфералық молекулалар бір-бірімен қатты денеде қосылып, бетке бағытталған кристалдық торды құра алады. Әлсіз ван-дер-Ваальс күштері ұстайтын бет-центрленген тордағы ең жақын молекулалардың орталықтары арасындағы қашықтық шамамен 1 нм. С₆₀ бензолда еритіндіктен, оның монокристалын бензолдағы С₆₀ ерітіндісін баяу буландыру арқылы өсіруге болады.

Бетке-центрленген текше. Фуллереннің молекулалық кристалы

Фуллерендердің бетке бағытталған кристалдық тор құрылымында бірлік ұяшық көлемінің 26% бос болады, сондықтан сілтілі атомдар заттың сфералық молекулалары арасындағы бос орындарға оңай орналасады. Егер С₆₀ кристалдары мен калий металын эвакуацияланған түтікке салып, 400°С-қа дейін қыздырса, калий буы бос жерлерге таралып, K₃C₆₀ қосылысын түзеді. C₆₀ кристалы диэлектрик болып табылады, ал сілті атомдарымен легирленген кезде ол өткізгішке айналады. Бұл калий атомдарының К⁺ иондалуына байланысты, ал олардың электрондары С₆₀-мен байланысып, теріс С₆₀ ^3- ионына айналады. Осылайша, әрбір C₆₀ молекуласы молекуламен еркін байланысқан және кристалдың айналасында қозғала алатын қосымша үш электрон алады, бұл C₆₀-ды электр өткізгіш етеді.

Фуллерендер гекса және пентагональды көміртек ұяшықтардан құралған (С_2n, n≥15), әр ұяшық 60 немесе оданда көп көміртек атомдарынан тұратын 3D күрделі формасын құрайды. Фуллерендер деп аталатын молекулалық топтан басқада С₇₀, С₇₆, С₈₄ және т. б. үш өлшемді көміртек молекулаларын құрайды. Бұл молекулалардың ішінен ең көп кездесетіні 20 гексагоннан 12 пентагоннан тұратын С₆₀ фуллерені. С₆₀ фуллерен радиусы 0,367 нм құрайтын сфералық кристалдық молекула, алмаз және графиттен кейінгі көміртегінің үшінші аллотропиялық модификациясы.

Фуллерен қосылыстарының эндофуллерен гетерофуллерен және экзофуллерен секілді түрлері белгілі.

а – фуллерен С_60, ә – эндофуллерен, б – гетерофуллерен, в – экзофуллерен

Сурет.Фуллеренді қосылыстардың құрылымы.

Эндофуллерендер М_m@C_n - басқа химиялық элементтердің (М)_m атомдары фуллерен C_n молекуласының ішенде орналасқан фуллерен молекулалары, мұндағы m≥1 (сурет 3.18г). Суда еритін экзофуллерендер молекулалары күрделі құрылымға ие.

Фуллерен құрылымының бірегейлігі физикалық және химиялық қасиеті практикалық қолданыста жоғары дәрежеге ие. Фуллерендер қасиеті бойынша графиттерге жақын келгендіктен термотұрақтылығы жоғары, электрофизикалық сипаттамасы және антифрикциондықасиетке ие. Фуллерен молекуласының спецификалық құрылымы химиялық (биохимиялық) білім саласында із қалдырған гетератомды қосылыстар.

Қазіргі таңда модификацияланған фуллерендерді қолдануда, яғни жаңа материалдар алуда қолданылатын функционалды топтар алу басты мәселе болып отыр. Дамыған мемлекеттерде көптеген фуллерендерді жартылай өткізгіш техникада және фотодиод ретінде наноэлектроникада, транзистор және күн батареяларында қолдану саласында патенттер саны артуда.

С₆₀ фуллерен электрондарға акцептор ретінде зарядтарды тасымалдайтын жоғары электртерістік қасиетке ие. Акцептор ретінде қолданылатын фуллерен негізіндегі диодтар фотоактивті донормен ковалентті байланысып, сәуле әсерінен электронды фотоиндуцирлеуге өтеді. Сәуле жұтылудың жоғары дәрежесі және зарядтарды бөлу, күн сәуле батареялары жұмысының негізі болып табылады. Болашақта фуллерендердің бұл қасиеті энергияның фотоөңделуі, фотоөткізгіш құру мақсатында қолданылуы мүмкін. Барлық тұжырымдар экономикалық тұрғыдан қарағанда іске асырылуы мүмкін деген шешімге келіп отыр.

Фуллерендерді алу технологиясы

Қазіргі таңда фуллерендерді алу әдісінің екі түрі белгілі: көміртектерді пиролиздеу және графитті сублимациялау. Фуллерендерді алудың тиімді әдісі ретінде графиттің термиялық ыдырауы болып табылады. Сонымен қатар, графитті буландырумен бірге бензол немесе басқа органикалық заттардың жануы кезінде, полимерлердің абляциясы кезінде, көміртек қосылыстары мен күйеден, кластерлерді буландыру кезінде фуллернедер түзіледі. Фуллерен өндірісінде алғаш рет патент 1997 ж. В. Кретчллерге беріліп фуллерендік доға деп аталды.

Фуллерендерді алу қондырғысы қарапайым келеді

10-20 В қуатты, 100-200 А күш, 60 Гц жиелік тоқты графит электроды

(1) арқылы өткенде графит ұнтақталады. (4) пружинаны реттеу арқылы қысым графитке емес доғаға өтетінін байқауға болады. 100-150 мм. сын. бағ. қысыммен гелийді камераға толтырады. Бұл қондырғыда графиттің булану тиімділігі 10 г/В жетеді. Сонымен қатар сумен салқындатылған мыс корпусы (3) күйемен толығады. Алынған ұнтақты бірнеше уақыт қайнатылған толуолда ұстаса қара-қоңыр сұйықтыққа айналады. Сұйықтықты буландырғанда аз дисперсті ұнтақ түзеді. Ұнтақ массасының 10% графитті күйені құрайды. Ұнтақтың 10% фуллерендер, соның ішінде С₆₀ фуллерені 90% жуық, С₇₀ 10% құрайды.

1-графитті электродтар; 2- суытылған мыс; 3- мысты корпус; 4- серпіндер

Фуллерендерді алуға арналған қондырғы сұлбасы

Көрсетілген фуллерендерді алу әдістерінде гелий буфер газының қызметін атқарады. Сонымен қатар, гелий атомы көміртек атомдарының қосылу кезінде энергияны өзіне сіңіреді. Гелийдің оптималды қысымы 100 мм. сын. бағ. құрайды.

Фуллерен синтезі көміртекті сұйық кластердің түзілуінің бастапқы сатысы. Кристалданған фуллерендер бос атомдар мен микрокластерлер түзеді. Сонымен қатар, фуллерендерді түзілу әдісінің бірі көміртекті кластерлерді жандыру болып табылады.

Таза С₆₀ фуллерен алу үшін электр доғаны разрядтты қондырғы қолдансада жеткілікті. Фуллерендерді синтездеу үшін сұйық хромотография негізіндегі қиын және бағалы экстракция процесін талап етеді. Соның нәтижесінде тек бөліп алмай, сонымен бірге аз кездесетін С₇₀ , С_84, С₉₀ және С₉₄ фуллерендері С₆₀ қатар бірге өсіріп алу мүмкіндігі бар. Мысал ретінде электрлік доға көмегімен графитті электродты термиялық буландыру кезіндегі көмір конденсатын қарастыруға болады. Таза С₆₀фуллерен 95:5 қатынастағы гексан және толуол қоспасымен шайылады. Ерітіндідегі толуолды 50% дейін көбейту таза С₇₀ фуллерен алуға мүмкіндік туғызады. Толуолдың концентрациясын көбейту нәтижесінде сары түсті таза С_76, С_84,С₉₀ және С₉₄ фуллерендер түзілгенін көруге болады. Бірінші фракцияны 95:5 қатынастағы гексан мен толуол қоспасы С₇₀ молекуласының еруіне әкеледі. Қалған сары түсті конденсат С₇₆ молекуласынан тұрады. Ерімеген қалған 100-250 көміртек атомынан тұратын фуллерендерді 1,2,4- трихлорбензол көмегімен өңдейді. Аталған әдістер 200 гр/с дейін фуллерндерді алуға мүмкіншілік береді.

3. Фуллерендерді қолдану аясы

Зерттеулер нәтижесінде фуллерендерді әртүрлі салада, мысалы, көптеген энергетика өндіріс орындарында тоқ көзері, жоғарғы өткізгіштер, жанармайға арналған қоспалар, өндіріс өнімдерінде (оптикалық, магниттік, фотоэлектрлік және изоляциялық өнімдер, тонерлер, композиттер, мембраналар), биологияда, медицинада кең қолданыста.

Фуллерендер жақпа композиттері ретінде, фармацевтикалық және косметикалық өнімдер (бет терісіне арналған кремдер мен күйген жерлерді өңдейтін мазь, сонымен қатар боулингке арналған шарларды дайындауда) ретінде де қолданылады.

Фуллерендер катализ саласында 3 түрі қолданылады:

- активті компаненттер түрінде,

- гомогенді катализде лигандтар түрінде,

- гетерогенді катализде тасымалдаушы түрінде.

Бөлме температурасында және 15-25 ГПа фуллериттер алмазға айналады (100% шығымда), бірақ алмаз ұнтақ түрінде 2-100 нм мөлшерде болады.

Фуллерендер полимерлер өндірісінде, иілген фотодиодтар, күн батареяларында, полимерлік шыныларды жасауда пайдаланады.

Фуллерендерді медицинада Альцгеймер және Паркинсон ауруларын, атеросклероз ауруларын емдеуде және белоктарды модифицирлеуде қолданылады. С₆₀молекуласының диаметрі стеройдты гармон және белоктың альфа-спиральдардың диаметрі шамалас, сондықтан фуллерендер ферменттер мен рецепторлардың лигандаларына сәйкес болып табылады.

С₆₀ фуллерен өзін витамин Е ден 10-100 есе пайдалы антиоксидант ретінде көрсетеді. Эффективті антиоксидант ретінде қолданбалы фуллеренді трималон қышқылы тірі организмде және қолдап істемеген ортада көрсетеді.

Қолданбалы фуллерендердің термиялық қолданысынан бор екендігі туралы белгілі болды, мысалы, вирусқа қарсы зат ретінде, ракқа қарсы препарат «фуллевир» атты СПИД-ке қарсы емдік дәрі ретінде қолданылады. Сонымен қатар, «киллевира» және «ацикловира» дәрілері белгілі.

Кейбір қолданбалы С₆₀ фуллерен ерітінділерінің оптикалық қасиеттерінің түзулігі, сонымен қатар фуллерен негізіндегі шынылар оптикалық фильтрлер жасауда қолданылады.

Фуллерендер мен композиттер сол қасиеті негізінде суперконденсаторлар электродтарын жасауда, иілгіш күн батареяларында электрон акцепторлар полимер қабықшасы негізінде, рентген сәулелерінің фотодетекторлары, жану элементтерінде катализатор тасымалдаушы ретінде пайдаланылады.

Полимер негізіндегі композитті фуллерендерді фотодектоктор мен транзистор жасауда, электромагнитті шашыраудан қорғаныс ретінде, коррозияға қарсы жабындыларда қолданылады.

Эндофуллерендер ЯМР- спектроскопия әдісімен тірі организмдердің биологиялық проценттерін зерттеуде белгілер ретінде қолданылады.

Фуллерендер жаңа материалдар жасауда құрылымдық элемент ретінде қолданылуы мүмкін, соның ішінде, жоғары тығыздықты ақпарат жасауда, лазерлердің, фотоқабықшалардың, люминофорлардың, магнитті дискілердің, компьютерлердің қасиеттерін жақсартуда және экологиялық таза ток көздерін жасауда қолданылады. Фуллерендердің активтілігі кристалл өндірілуде қолданылады.

Қорыта келе, ғылыми зерттеулер нәтижелерінен С₆₀ және С₇₀ фуллерендерін қосу арқылы органикалық донор арасында зарядтар тасымалдану негізінде сұйық кристаллды құрылымдардың өздігінен құрылу процесі зерттелді. Сұйық кристалл негізіндегі ұяшықтарды ауыстыру уақытын қысқартылуын зерттеу нәтижесі болып саналды.