Վիքիպեդիա

Ֆուլերեն

Ֆուլերեն, մոլեկուլային միացություն, որը իրենից ներկայացնում է արտափքված փակ բազմանկյուն,որը կազմված է եռաչափ տարածական կառուցվածք ունեցող ածխածնի ատոմներից։ Ֆուլերենները իրենց անվանումը ստացել են ինժեներ և ճարտարապետ Ռիչարդ Բակմինստեր Ֆուլլերի անունից, որի գեոդեզիական կառույցները պատրաստված են այդ սկզբունքով։ Սկզբում այս դասի նյութերը սահմանազատվում էին միայն հնգանկյուն և վեցանկյուն միացություններով։ Այդպիսի փակ բազմանկյուններնից, որոնք կազմված են n գագաթներց, որոնք առաջացնում են միայն հինգ և վեցանկյուններ, համաձայն բազմանկյունների վերաբերյալ Էյլերի տեսության , որը պնդում է հավասարության արդարացիությունը (որտեղ և համապատասխանաբար հավասար է գագաթների, կողերի և նիստերի, կարևոր անհրաժեշտություն է ուղիղ 12 հնգանկյունների և վեցանկյուն բազմանիստերի առկայությունը։ Եթե ֆուլերենի մոլեկուլի կազմի մեջ բացի ածխածնի ատոմներից այլ տարրի ատոմներ են մտնում և դրանք գտնվում են ածխածնային կմախքի ներսում, ապա այդպիսի ֆուլերենները կոչվում են էնդոէդրալ, իսկ եթե գտնվում են դրսում, ապա կոչվում են էկզոէդրալ[1]։

Պտտվող բակիբոլի տեսքը C60
Ֆուլերեն C540
Ֆուլերեն C60

Բնության մեջ հանդիպում են շունգիտում և ծովային օդի մեջ։

Հայտնաբերման պատմություն

խմբագրել

1985 թվականին մի խումբ հետազոտողներ Ռոբերտ Կուրլը, Հարոլդ Կրոտը, Ռիչարդ Սմոլին[2], Խիսը և Օբրայնը հետազոտում էին գրաֆիտի գոլորշու զագված սպեկտորը,որը ստացվել էր կոշտ նմուշի լազերային ճառագայթման (աբլյացիայի) արդյունքում, հայտնաբերեցին առավելագույն տատանումներով գագաթներ, թրթնք համապատասխանում էին 60-ից 70 ածխածնի ատոմներից կազմված կլաստերներին (միատեսակ ատոմներից կամ մոլեկուլներից կազմված կայուն միացություններ)[3]։ Նրանք ենթադրեցին, որ այդ գագաթները համապատասխանում են С60 և С70 մոլեկուլներին և առաջ քաշեցինտեսություն, որ С60 մոլեկուլն ունի Ih համաչափությամբ հատված իկոսաէդրի տեսք։ Ածխածնի այսպիսի բազմակողմ կլեյստերները անվանեցին ֆուլերեններ, որի ամենատարածված մոլեկուլը С60-ն է (որին նաև անվանում են բակիբոլ, կամ բուկիբոլ, անգլ.՝ buckyball)[2]), ամերիակացի ճարտարապետ Ֆուլերի անունով, որը իր շինությունների գմբեթների կառուցման համար օգտագործել է հինգ և վեցաանկյուններ, որոնք հանդիսանում են բոլոր ֆուլերենների մոլեկուլային կմախքի հիմնական կառույցները։

Անհրաժեշտ է նշել,որ ֆուլերենների հայտնաբերումը ունի իր նախապատմությունը` նրանց գոյության հավանականությունը կանխատեսվել էր դեռևս 1971 թվականին Ճապոնիայում[4] և տեսականորեն հինավորվել 1973 թվականին ԽՍՀՄ-ում[5]։ Ֆուլերենի հայտնաբերման համար Կրոտը, Սմոլին և Կուրլը 1966 թվականին քիմիայի բնագավառում արժանացան Նոբելյան մրցանակի[6]։ Ներկա ժամանակում ( 2007 թվականի հոկտեմբեր) ֆուլերենի ստացման միակ եղանակը նրա արհեստական սինթեզն է։ Տարիներ շարունակ այս միացությունները մանրակրկիտ ձևով ուսումնասիրվել են տարբեր երկրների լաբորատորիաներում` փորձելով բացահայտել դրանց առաջացումը, կառուցվածքը, հատկությունները և կիրառման հնարավոր ոլորտները։ հաստատվել է, որ ֆուլերենները զգալի քանակությամբ պարունակվում են մրի մեջ, որը առաջանում է գրաֆիտային էլեկտրոդների աղեղային պարպումից[2], դրանք նախկինում պարզապես չեն նկատվել (տես ներքևում)։

Ֆուլերենը բնության մեջ

խմբագրել

Արհեստական եղանակով ստանալուց հետո ֆուլերեններ հայտնաբերեցին Հյուսիսային Կորեայի մի շարք շունգիտների նմուշներում[7][8][9], ԱՄՆ-ում ֆուլգուրիտներում և Հնդկաստանում[10], մետեորիդներում[11] և հատակային նստվածքներում, որոնց տարիքը հասնում է 65 միլլիոն տարու[12]։

Երկրի վրա ֆուլերեններն առաջանում են բնական գազի այրման և կայծակի պարպման ժամանակ[13]։ 2011 թվականի ամռանը հրապարակվեցին Միջերկրական ծովի վրայով անցնող օդային հոսանքների նմուշների ուսումնասիրության արդյունքները, Բարսելոնայից մինչև Ստամբուլ վերցրած բոլոր 43 նմուշներում ֆուլերեններ էին պարունակումվում[14]։

Մեծ քանակությամբ ֆուլերեններ են հայտնաբերել տիեզերքում։ 2010 թվականին գազի տեսքով[15], իսկ 2012 թվականի` պինդ վիճակով[16]։

Կառուցվածքային առանձնահատկություններ

խմբագրել

Հատված իկոսաէդրի տեսքով մոլեկուլային միացության զանգվածը 720 զանգվածի ատոմային միավոր է։ ֆուլերենի մոլեկուլներում ածխածնի ատոմները դասավորված են հնդանկյունների և վեցանկյունների գագաթներին, որոնցից կազմված է գնդի կամ էլիպսոիդի մակերեսը։ ֆուլենների ընտանիքի ամենից սիմետրիկ և բավականին ուսումնասիրված ներկայացուցիչը ֆուլերեն 60-ն է (C60), որում ածխածնի ատոմները առաջացնում են հատված իկոսաէդր, որը կազմված է 20 վեցանկյուններից և 12 հնգանկյուններից և հիշեցնում է ֆուտբոլի գնդակ (որպես իդեալական կառուցվածք, որը բնության մեջ հազվադեպ է հանդիպում)։ Քանի որ С60 ֆուլերենի ածխածնի յուրաքանչյուր ատոմ միաժամանակ պատկանում է երկու վեց և մեկ հնգանկյան, ապա ֆուլերեն С60 բոլոր ատոմները համարժեք են, ինչը հաստատվում է 13С  իզոտոպի միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային սպեկտրի միջոցով, որը պարունակում է միայն մեկ գիծ։ սակայն ոչ բոլոր С-С կապերն ունեն նույն երկարությունը։ С=С կապի երկարությունը,որը հանդիսանում է երկու վեցանկյունների ընդհանուր կողմը կազմում է 1,39 Å (անգստրեմ), իսկ С-С կապը ընդհանուր է վեց և հնգանկյունների համար ավելի երկար է և նրա երկարությունը հավասար է 1,44 Å[17]: Բացի դրանից առաջին կապը կրկնակի է, իսկ երկրորդը` միակի, ինչը բնութագրական է ֆուլերեն С60-ի քիմիայի համար։ իրականում մեծ քանակությամբ ստացված ֆուլերենների հատկությունների ուսումնասիրությունները ցույց են տալիս նրանց օբյեկտիվ հատկությունների բաշխումը (քիմիական և սորբցիոն ակտիվություն) ֆուլերենի 4 կայուն իզոտոպներում[18], որոնք հեշտությամբ որոշվում են ճշգրիտ որոշման հեղուկ քրոմատոգրաֆի սորբցիոն սյունից ունեցած ելքի ժամանակով։ Այդ դեպքում բոլոր չորս իզոմերների զանգվածները նույնն է և հավասար է 720 զ. ա. մ.:

Տարածվածությամբ հաջորդը ֆուլերեն C70, որը տարբերվում է ֆուլերեն C60-ից ածխածնի 10 ատոմների առկայությամբ համարժեքության շրջանում C60, ինչի հետևանքով 34 մոլեկվուլը երկարաձգված է և հիշեցնում է ռեգբիի գնդակ։

Այսպես կոչված բարձրագույն ֆուլերենները, որոնք պարունակում են ավելի մեծ թվով ածխածնի ատոմներ (մինչև 400), առաջանում են զգալիորեն փոքր քանակությամբ և հաճախ են ունենում բավականին բարդ իզոմերային կազմ։ Առավել լավ ուսումնասիրված բարձրագույն ֆուլերեններից կարելի է առանձնացնել Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84-ը։

Սինթեզ

խմբագրել

Առաջին անգամ ֆուլերենը առանձնացրել են գրաֆիտի խտացված գոլորշիներից, որոնք ստացվել են կոշտ գրաֆիտային նմուշների լազերային ճառագայթման արդյունքում։ փաստացի դրանք այդ նյութի հետքեր էին։ Հաջորդ կարևոր քայլը կատարվել է 1990 թվականին Վոլֆգանգ Կրետչմերի, Լեմբի, Դ. Խոֆմանի և այլոց կողմից, ովքեր մշակեցին ֆուլերենի փոքր քանակներով` գրամներով ստացումը, գրաֆիտային էլեկտրոդները հելիումի միջավայրում ցածր ճնշման տակ էլեկտրական աղեղում այրելիս[19]։ Անոդի էրոզիայի գործընթացի հետևանքով խցիկի պատերին մուր է նստում, որում էլ պարունակում է որոշակի քանակությամբ ֆուլերեն։ Մուրը լուծում են բենզոլում կամ տոլուոլում և ստացված լուծույթից առանձնացնում գրամային քանակությամբ ֆուլերեն С60-ի և С70-ի մոլեկուլներ 3:1 հարաբերությամբ և մոտավորապես 2 % ավելի ծանր ֆուլերեններ[20]։ Հետագայում հաջողվեց էլեկտրոդների գոլորշիացման համար առավել նպաստավոր պայմաններ ընտրել (ճնշում, մթնոլորտի կազմ, հոսանք, էլեկտրոդների տրամագիծ), որի արդյունքում ֆուլերենի ելքը առավելագույնն է, որը կազմում է անոդային նյութի 3-12 %-ը, ինչով էլ որոշում են ֆուլերենի բարձր ինքնարժեքը։

Սկզբնական շրջանում ավելի էժան և արդյունավետ ֆուլերենի`գրամներով ստացման փորձերը (ածխաջրածինների այրումից]] կրակում[21], քիմիական սինթեզը[22] и др.) հաջողություն չունեցան և «աղեղային» եղանակը երկար ժամանակ մնաց ամենից արդյունավետը (արտադրողականությունը մոտավորապես 1 գ/ժամ)[23]։ հետագայում Mitsubishi ֆիրմային հաջողվեց իրականացնել ֆուլերենի արտադրություն ածխաջրածինների այրման միջոցով , սակայն այս ֆուլերենները թթվածին են պարունակում, և այդ պատճառով աղեղային եղանակը նախկինի նման մնում է մաքուր ֆուլերենի ստացման միակ հարմար եղանակը։

ֆուլերենի աղեղում առաջացման սկզբունքները մինչև հիմա հասկանալի չեն, քանի որ աղեղի այրման շրջանում ընթացող գործընթացները ջերմադինամիկորեն անկայուն են, ինչը խիստ դժվարացնում է դրանց տեսականորեն կատարվող դիտարկումները։ Անհերքելիորեն հաջողվեց սահմանել միայն, որ ֆուլերենը հավաքվում է ածխածնի առանձին ատոմներից (կամ հատվածներից С2): Ապացուցման համար որպես անոդային էլեկտրոդ օգտագործվեց 13С շատ մաքուր գրաֆիտը, մյուս էլեկտրոդը սովորական գրաֆիտից էր` 12С: Միջուկային մագնիսական ռեզոնանսի (ՄՄՌ) մեթոդով ֆուլերենի արդյումից հետո ցույց տրվեց,որ ածխածին 12С-ի և 13С-ի ատոմները պատահականորեն դասավորված են ֆուլերենի մակերեսին։ Դա ցույց է տալիս,որ գրաֆիտը քայքայվում է առանձին ատոմների կամ ատոմային մակարդակի մասերի,որոնք հետագայում հավաքվում են ֆուլերենի մոլեկուլում։ Այս հանգամանքը ստիպեց հրաժարվել այն պատկերացումից, որ ֆուլերենը առաջանում է փակ ոլորտներում գրաֆիտի ատոմային շերտերի դասավորման արդյունքում։

Ֆուլերենի ստացման համար սարքավորումների քանակի արագ աճը և մաքրման համար մեթոդների բարելավման նպատակով անընդհատ կատարվող աշխատանքների շնորհիվ ինքնարժեքը զգալիորեն իջավ` С60 վերջին 17 տարում 10 հազարից մինչև 10-15 դոլար մեկ գրամի համար[24], ինչի շնորհիվ ֆուլերենը կիրավեց արդյունաբերությունում։

Չնայած Հոֆման-Կրետչմերի (ՀԿ) մեթոդի բարելավմանը չհաջողվեց մեծացնել ֆուլերենի ելքը այրված գրաֆիտի ընդհանուր զանգվածի 10-20 % -ից։ Ելանյութի` գրաֆիտի համեմատաբար բարձր ինքնարժեքի պատճառով, այս մեթոդն ունի սկզբունքային որոշակի սահմանապակումներ։ Շատ հետազոտողներ կարծում են, որ ՀԿ մեթոդով ֆուլերենի ինքնարժեքը մեկ գրամի համար մի քանի դալարից հնարավոր չէ իջեցնել։ Այդ պատճառով հետազոտական մի շարք խմբերի աշխատանքները ուղղված են ֆուլերենի այլընտրանքային մեթոդների որոնմանը։ Այս բնագավառում մեծ հաջողությունների է հասել Միցուբիսի կազմակերպությունը, որին հաջողվեց կարգավորել ածխաջրածինների այրման մեթոդով ֆուլերենի արտադրությունը։ Նման եղանակով ստացված դուլերենի արժեքը կազմում է մոտավորապես 5 դոլար/գրամ (2005 թվական), ինչը ոչ մի ձևով չազդեց էլեկտրական աղեղի եղանակով ստացվող ֆուլերենի արժեքի վրա։

Հարկ է նշել, որ ֆուլերենի բարձր գինը պայմանավորված է ոչ միայն գրաֆիտի այրումից ցածր ելքով, այլ առանձնացման բարդությամբ, մաքրումից, և տարբեր զանգվածնեով ֆուլերենների մրից առանձնացմամբ։ Հիմնական գործընթացը իրականացվում է հետևյալ ձևով՝ գրաֆիտի այրումից ստացած մուրը խառնում են տոլուոլի կամ այլ օրգանական լուծիչի հետ( որում ֆուլերենները լավ լուծվում են), այնուհետև խառնուրդը ֆիլտրում են կամ անց են կացնում ցենտրիֆուգով, իսկ մնացած լուծույթը գոլորշիացնում։ Լուծիչի հեռացումից հետո մնում է մուգ մանր բյուրեղներից կազմված նստվածք՝ ֆուլերենների խառնուրդ որը կոչվում է ֆևլերիտ։ Ֆուլերիտի կազմի մեջ մտնում եմմտնում են տարբեր բյուրեղային միացություններ՝ С60 և С70 մոլեկուլների մանր բյուրեղներ և С60/С70 բյուրեղներ, որոնք հանդես են գալիս որպես պինդ լուծույթներ։ բացի դրանից ֆուլերիտում միշտ առկա են բարձր ֆուլերեններ (մինչև 3 %)։ Ֆուլերենների տարանջատումը առանձին մասերի՝ ըստ մոլեկուլային զանգվածների իրականացվում է հեղուկ քրոմատագրությամբ սյուների վրա և բարձր ճնշմամբ հեղուկ քրոմատագրությամբ միջոցով (ԲՃՀՔ)։ Վերջինս հիմնականում օգտագործվում է ստացված ֆուլերենների մաքրությունը որոշելու համար, քանի որ այս մեթոդի վերլուծական զգայունությունը շատ բարձր է (մինչև 0,01 %)։ վերջին փուլում իրականացվում է լուծիչի մնացորդների հեռացում ֆուլերենի պինդ նմուշից։ Գործընթացը իրականացվում է դինամիկ վակումում նմուշը 150—250 °C ջերմաստիճանային պայմաններում պահելով (մոտավորապես 0,1 տոր)։

Ֆիզիկական հատկություններ և կիրառական նշանակություն

խմբագրել

ֆուլերիտներ

խմբագրել

Ֆուլերենների մոլեկուլներից կազմված խտացված համակարգերը կոչվում են ֆուլերիտներ։ սրանցից ամենաուսումնասիրված համակարգը С60 բյուրեղն է, իսկ ամենաքիչ ուսումնասիրվածը С70-ի բյուրեղային համակարգը։ Բարձր ֆուլերենների բյուրեղների ուսումնասիրությունը դժվարանում է նրանց ստացման բարդությունների հետ կապված։

Ֆուլերենի մոլեկուլում ածխածնի ատոմները միացած են սիգմա և պի կապերով, այն դեպքում, երբ ֆուլերենի բյուրեղում առանձին մոլեկուլների միջև քիմիական կապը բացակայում է (բառի բուն իմաստով)։ Այդ պատճառով խտացված համակարգերում առանձին մոլեկուլները պահպանում են իրենց առանձնահատկությունները (ինչը կարևոր է բյուրեղի էլեկտրոնային կառուցվածքը ուսումնասիրելիս)։ Բյուրեղում մոլեկուլները պահվում են Վան-Դեր-Վալսյան ուժերի շնորհիվ, զգալի չափով որոշելով պինդ C60-ի մակրոսկոպիկ հատկությունները։

Աենյակային ջերմաստիճանում С60-ի բյուրողն ունի 1,415 նմ կայունությունը կողերով կենտրոնացված խորանարդաձև ցանացի տեսք, սակայն ցածր ջերմաստիճանումտեղի է ունենում առաջին կարգի ֆազային անցում (Ткр≈260 Կելվին) և С60-ի բյուրեղը փոխում է իր տեսքը հասարակ խորանարդաձևի (ցանցի կայունությունը 1,411 նմ)[25]։ Т &gt ջերմաստիճանում Ткр մոլեկուլները С60-ում անկանոն ձևով շարժվում են իրենց հավասարակշռության կենտրոնի շուրջը, իսկ երբ այն իջնում է մինչև կրիտիկական արժեքը պտտման երկու առանցքներն էլ սառեցվում են։ Պտտման ամբողջական սառեցումը տեղի է ունենում 165 Կ ջերմաստիճանում։ Սենյակային ջերմաստիճանին մոտ ջերմաստիճաններում С70- բյուրեղային կառուցվածքը մանրամասն ուսումնասիրվել է աշխատանքում[26]։ Ինչպես երևում է այս աշխատանքի արդյունքներց այս տիպի բյուրեղներն ունեն ծավալակենտրոնացված ցանց, վեցանկյուն ֆազի փոքր խառնուրդով։

Ոչ գծային օպտիկական հատկություններ

խմբագրել

Ֆուլերենի էլեկտրոնային կառուցվածքի վերլուծությունը ցույց է տալիս π-էլեկտրոնային համակարգերի առկայությունը, որոնք ունեն ոչ գծային զգայունության մեծ արժեքներ։ ֆուլերենները իրկանում օժտված են ոչ գծային օպտիկական հատկություններով։ Սակայն С60 մոլեկուլի մեծ համաչափության շնորհիվ երկրորդ սերնդի ներդաշնակության առաջացումը հնարավոր է միայն համակարգում անհամաչափության ներմուծման դեպքում (օրինակ արտաքին էլեկտրական դաշտոի միջոցով)։ Գործնական տեսանկյունից գրավիչ է բարձր արագությունը, որը որոշում է երկրորդ սերնդի ներդաշնակության մարումը։ Բացի այդ С60 ֆուլերենները կարող են առաջացնել նաև երրորդ ներդաշնակություն[17]։

Ֆուլերենների ևառաջին հերթին С60-ի կիրառման հաջորդ հավանական բնագավառները հանդիսանում են օպտիկական խցիկները։ Փորձնականորեն ցույց է տրվել այս նյութի կիրառությունը 532 նանոմետր երկարությամբ ալիքի համար[24]։ Արձագանքման կարճ ժամանակահատվածը հնարավորություն է տալիս ֆուլերենները օգտագործել լազերային ճառագայթների և որակի մոդելյատորների ստացման համար։ Սակայն, մի շարք պատճառներով ֆուլերենների համար դժվար է մրցակցել ավանդական նյութերի հետ։ Բարձր ինքնարժեքը, ապակիներում ֆուլերենների ցրման դժվարությունը, օդում արագ օքսիդանալու հատկությունը ոչ գծային զգայունության ռեկորդային գործակիցներ չեն և օպտիկական ճառագայթման սահմանափակման բարձր շեմը (աչքերի պաշտպանության համար ոչ պիտանի) լուրջ դժվարություններ են ստեղծում այլ նյութերի հետ մրցակցությունում։

Քվանտային մեխանիկան և ֆուլերենը

խմբագրել

1999 թվականին Վեննայի համալսարանի հետազոտողները ցուցադրեցին կորպուսկուլյար-ալիքային դուալիզմի կիրառությունը ֆուլերենիC60[27][28] մոլեկուլների համար։

Հիդրատացված ֆուլերեն (HyFn);(С60(H2O)n)

խմբագրել
 
Ջրային լուծույթում C60HyFn-ը 0,22 մգ/մլ C60-ի հետ

Հիդրատացված ֆուլերեն С60 — C60HyFn-ը, դա կարծր, սուպրամոլեկուլային համալիր է, որը կազմված է С60-ի մոլեկուլներից շրջափակված առաջին հիդրատային թաղանթով, որը պարունակում է ջրի 24 մոլեկուլ՝ C60(H2O)24։ Հիդրատային թաղանթը առաջանում է ջրի մոլեկուլում առկա թթվածնի ատոմի չընդհանրացված էլեկտրոնային զույգի դոնորա-ակցեպտորային մեխանիզմով ֆուլերենի մակերեսին գտնվող էլեկտրոն- ակցեպտորային կենտրոնի հետ փոխազդեցության հետևանքով։ Այդ ընթավքում ջրի մոլեկուլները, որոնք գտնվում են ֆուլերենի մակերեսին մոտ միմյանց հետ միանում են ջրածնային կապերի ծավալային ցանցով։ C60HyFn-ի չափերը կազմում են 1,6-1,8 նմ։ Ներկա ժամանակում С60-ի առավելագույն կոնցենտրացիան, C60 HyFn-ի ձևով, որը հաջողվել է ստեղծել ջրում համարժեք է 4 մգ/մլ-ին[29][30][31][32][33]։:

Ֆուլերենը որպես նյութ կիսահաղորդչային տեխնոլոգիայի համար

խմբագրել

Ֆուլերենի մոլեկուլի բյուրեղը հանդիսանում է կիսահաղորդիչ արգելման գոտու ~1.5 ԷՎ լայնությամբ, և նրա հատկությունները շատ նման են մյուս կիսահաղորդիչների հատկություններին։ Այդ պատճառով շատ ուսումնասիրություններ կապված էին ֆուլերենի՝ որպես նոր նյութ էլեկտրոնիկայում կիրառման հարցի հետ՝ դիոդների,տրանզիստորների ֆոտոմարտկոցի արտադրություններում։ Այստեղ նրանց առավելությունը ավանդական սրլիցիումի համեմատ ֆոտոպատասխանման փոքր ժամանակահատվածն է։ Սակայն զգալի թերություն էր թթվածնի ազդեցությունը ֆուլերենների թաղանթների հաղորդականության վրա, հետևաբար պաշտպանական ծածկույթների անհրաժեշտություն առաջացավ։ Այս իմաստով ավելի հարմար է օգտագործել ֆուլերենի մոլեկուլը որպես ինքնուրույն նանոմասշտաբային սարք, մասնավորապես, որպես ուժեղացնող տարր[34]։

Ֆուլերենը որպես ֆոտոռեզիստ

խմբագրել

Տոսանելի (> 2 эВ) ուլտրամանուշակագույն և ավելի կարճալիք ճառագայթման ազդեցությամբ ֆուլերենը պոլիմերացվում են և այդ վիճակում չեն լուծվում օրգանական լուծիչներում։ Որես ֆուլերենի ֆոտոռեզիստային կիրառման օրինակ կարելի է ներկայացնել ենթամիկրոնային (≈20 նմ) լուծույթի ստացումը էլեկտրոնային փնջով սիլիցիումի վրա ներգործելով, որի ընթացքում օգտագործում են С60-ի պոլիմերիզացված թաղանթից դիմակներ[24]։

Ֆուլերենային հավելումներ CVD մեթոդով ադամանդե թաղանթների աճի համար

խմբագրել

Գործնական կիրառման մեկ այլ հետաքրքիր հնարավորություն է ֆուլերենային հավելումների կիրառումը CVD մեթոդով ադամանդե թաղանթների աճի համար (Chemical Vapor Deposition)։ Ֆուլերելի գազային ագրեգատային վիճակի անցումը շահավետ է երկու տեսանկյունից՝ սուբստրատի վրա ադամանդային միջուկների առաջացման արագության մեծացման և սուբստրատի վրա գազային փուլից կառուցվածքային բլեկների մատակարարում։ Կառուցվածքային բլոկի դերում հանդես է գալիս С2-ի հատվածները, որը հարմար նյութ է ադամանդե թաղանթների աճեցման համար։ Փորձնականորեն ապացուցվել է,ու ադամանդե թաղանթների աճման արագությունը հասնում է 0,6 մկմ/ժ, ինչը հինգ անգամ արագ է, քան առանց ֆուլերենի կիրառման ռեակցիաներում։ Միկրոէլեկտրոնիկայում ադամանդների այլ կիսահաղորդիչների հետ մրցակցելու համար անհրաժեշտ է ադամանդե թաղանթների համար մշակել հետերոէպիտաքսիայի մեթոդը։ Այս խնդրի լուծման հնարավոր ուղիներից մեկը ադամանդե թաղանթների և սուբստրատր միջև բուֆերային շերտի օգտագործումն է։ Այս ուղղությամբ կատարվող հետազոտությունների համար լավ նախապայման է տարբեր նյութերին կպչելու հատկությունը։ Նշված դրույթները հատկապես կարևոր է հաջորդ սերնդի միկրոէլեկտրոնիկայում ադամանդների կիրառման նպատակով։ Բարձր կատարողականությունը՝ (բարձր հագեցած դրեյֆի արագություն) առավելագույնը մնացած հայտնի նյութերի համեմատ, ջերմահաղորդականությունը և քիմիական կայունությունը ադամանդը դարձնում են հեռանկարային նյութ հաջորդ սերնդի էլեկտրոնիկայի համար[24]։

С60 պարունակող գերհաղորդիչ միացություններ

խմբագրել

մոլեկուլային ֆուլերենի բյուրեղները կիսահաղորդիչներ են, սակայն 1991 թվականի սկզբին պարզվեց, որ պինդ վիճակում գտնվող С60 լեգիրումը ոչ մեծ քանակությամբ ալկալիական մետաղով հանգեցնում է մետաղական հաղորդականությամբ նյութի առաջացմանը, որը ցածր ջերմաստիճաններում հանդես է գալիս որպես գերհաղորդիչ։ С60-ի լեգիրումը իրականացվում է մի քանի հարյուր Ցելսիուս ջերմաստիճաններում մշակելով։ Այդ դեպքում ձևավորվում է X3С60 տիպի կառուցվածքով միացություն (Х -ը ալկալիական մետաղի ատոմն է)։ Այս նպատակով կիրառված առաջին մետաղը կալիումն է։ Միացության անցումը К3С60 գերհաղորդիչ վիճակի տեղի է ունենում 19 Կելվին ջերմաստիճանում։ Դա ռեկորդային արժեք է մոլեկուլային գերհաղորդիչների համար։ Շուտով պարզեցին, որ գերհաղորդիչ հատկություններով օժտված են շատ ֆուլերեններ, որոնք լեգիրված են ալկալիական մետաղների ատոմներով կամ Х3С60, կամ XY2С60 հարաբերությամբ (X,Y -ը ալկալիական մետաղների ատոմներն են )։ Նշված տիպի բարձր ջերմաստիճանում գերհաղորդիչների շարքում ռեկորդակիր հանդիսացավ RbCs2С60-ը, Ткр=33 К պայմաններում[35]։

Փոքր քանակությամբ ֆուլերենային մրի ազդեզությունը պոլիտետրաֆտորէթիլենի հակաճնշումային և հակաքայքայիչ հատկությունների վրա

խմբագրել

Հարկ է նշել, որ С60 ֆուլերենի առկայությունը հանքային քսանյութերի մեջ նպաստում է հակամարմինների մակերեսին 100 նանոմետր հաստությամբ պաշտպանիչ ֆուլերենային պոլիմերային թաղանթների առաջացմանը։ Առաջացած թաղանթը պաշտպանում է ջերմաստիճանային և օքսիդիչ ազդեցություններից, 3-8 անգամ մեծացնում է շփման հանգույցների կյանքի տևողությունը վթարային իրավիճակներում, իսկ քսանյութերի ջերմակայունությունը` մինչև 400—500 °C և շփման հանգույցների կրող հատկությունները 2-3 անգամ, ընդլայնում է շփման հանգույցների ճնշման աշխատանքային միջակայքը 1,5-2 անգամ, փոքրքցնում է հակամարմիննարի մշակման ժամանակահատվածը։

Կիրառման այլ բնագավառներ

խմբագրել

Այլ հետաքրքիր առաջարկներից են կուտակիչները և էլեկտրական մարտկեցները, որոնցում այս կամ այլ կերպ օգտագործում են ֆուլերենային հավելանյութեր։ Այս կուտակիչների հիմքը կազմում են լիթիումային կատոդները, որոնք պարունակում են ինտերկալացված ֆուլերեններ։ Ֆուլերենները կարող են օգտագործվել նաև արհեստական ալմաստի արտադրությունում որպես հավելանյութ, բարձր ճնշման մեթոդի կիրառմամբ։ Այդ դեպքում ալմաստի ելքը մեծանում է ≈30 %-ով։

Բացի այդ ֆուլերենները որպես հավելանյութ կիրառվում են նաև ինտումեսցենտային (ներթափանցող) հակահրդեհային ներկերի արտադրությունում։ Ֆուլերենի ներդրման շնորհիվ հրդեհի ժամանակ բարձր ջերմաստիճանից ներկերը փքվում են ,առաջացնելով բավականին խիտ շերտ, որը մի քանի անգամ մեծացնում է պաշտպանվող կառույցի տաքացման կրիտիկական ջերմաստիճանը։

Ֆուլերենները և նրանց բազմաթիվ քիմիական ածանցյալները կիսաասոցված կիսահաղորդչային պոլիմերների հետ համակցված օգտագործվում են արևային մարտկոցների պատրաստման համար։

Քիմիական հատկություններ

խմբագրել

Չնայած ֆուլերենների մոլեկուլներում ջրածնի ատոմների բացակայությանը, որոնք կարող են տեղակալվել սովորական արոմատիկ ածխաջրածիններում, նունպես կարող են ֆունկցիոնալիզացվել տարբեր քիմիական մեթոդների միջոցով։ Ֆուլերենների ֆունկցիոնալիզացման նպատակով հաջողությամբ կիրառվել են Դիլս-Ալդերի, Պրոտոյի, Բինգելի ռեակցիաները։ ֆուլերենները կարող են նաև հիդրատացվել առաջացնելով С60Н2-ից մինչև С60Н50 արտադրանքներ։

Բժշկական նշանակություն

խմբագրել

Հակաօքսիդիչներ

խմբագրել

Ֆուլերենները հանդիսանում են այսօր հայտնի ամենահզոր հակաօքսիդչները։ Նրանց ազդեցությունը գերազանցում է նախկինում հայտնի հակաօքսիդիչների ունեցած ազդեցությունները 100—1000 անգամ։ Ենթադրում են, որ հենց սրա շնորհիվ նրանք կարողանում են զգալիորեն երկարացնել առնետներ[36][37][38] և կլոր որդերի կյանքի միջին տևողությունը[39]. Ենթադրվում է, որ զեյթունի յուղում լուծվոծ ֆուլերեն С60-ը , կարող է դասավորվել բջիջների և միտոքոնդրիումների թաղանթների լիպիդային երկշերտում և գործել որպես բազմակի ազդեցության հակաօքսիդիչ[40]։

Նոր դեղորայքի ստացում

խմբագրել

ֆուլեձրենները կարող են օգտագործվել դեղորայքի ստացման համար։ Այսպես, 2007 թվականին իրականացվեցին հետազոտություններ, որոնք ցույց տվեցին,որ այս նյութերը կարող են արդյունավետ լինել հակաալերգիկ միջոցների ստացման համար[41][42]։

Պայքար ՁԻԱՀ-ի դեմ

խմբագրել

Ֆուլերենի բազմաթիվ ածանցյալներ իրենց դրսևորեցին որպես մարդու իմուն անբավարարության վիրուսի բուժման արդյունավետ միջոց` պրոտեազ սպիտակուցը, որը պատասխանատու է ՁԻԱՀ-1-ի վիրուսի արյունատար համակարգ ներթափանցման համար ունի 10 Ǻ տրամագծով խոռոչավոր գնդի տեսք, որի ձևը կայուն է ցանկացած մուտացիայի նկատմամբ։ Դրանց տրամագծի չափերը համընկնում են ֆուլերենի չափերի հետ։ Սինթեզվել է ֆուլերենի ածանցյալ, որը լուծվում է ջրում։ Այն մեկուսացնում է ֆուլերենի սպիտակուց պրոտեազի ակտիվ կենտրոնը, առանց որի հնարավոր չէ վիրուսային մասնիկի առաջացումը[43]։

Ծանոթագրություններ

խմբագրել
  1. ↑ Сидоров Л. Н., Иоффе И. Н. Эндоэдральные фуллерены // Соросовский образовательный журнал, 2001, № 8, с.31
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 Слюсар, В.И. (2009). «Наноантенны: подходы и перспективы. - C. 58 - 65» (PDF). Электроника: наука, технология, бизнес. – 2009. - № 2. էջեր C. 58.
  3. ↑ Kroto H. W., Heath J. R., O’Brien S. C., et. al. C60: Buckminsterfullerene // Nature 318, 162 (1985) doi:10.1038/318162a0
  4. ↑ Osawa E. Kagaku (Kyoto), V.25, P.854 (1971); Chem. Abstr. V.74 (1971)
  5. ↑ Бочвар Д. А., Гальперн Е. Г. О гипотетических системах: карбододекаэдре, s-икосаэдране и карбо-s-икосаэдре // Доклады АН СССР. — 1973. — Т. 209. — № 3. — С. 610.
  6. ↑ Нобелевская премия по химии за 1996 год
  7. ↑ Buseck P.R, Tsipursky S.J, Hettich R. Fullerenes from the Geological Environment (англ.) // Science. (1992) 257(5067): 215—217 DOI: 10.1126/science.257.5067.215
  8. ↑ Юшкин Н. П.. Глобулярная надмолекулярная структура шунгита: данные растровой туннельной микроскопии. // ДАН. (1994) 337(6): 800—803.
  9. ↑ В. А. Резников. Ю. С. Полеховский. Аморфный шунгитовый углерод — естественная среда образования фуллеренов. // Письма в ЖЭТФ. (2000) 26(15): 94-102.
  10. ↑ Daly T.K., Buseck P.R., Williams P. and Lewis C.F. Fullerenes from a fulgurite(англ.) Science // (1993) 259: 1599—1601 DOI: 10.1126/science.259.5101.1599
  11. ↑ Buseck P.R. Geological fullerenes: review and analysis.(англ.) // Earth and Planetary Science Letters. (2002) 203(I 3-4): 781—792 DOI: 10.1016/S0012-821X(02)00819-1
  12. ↑ Parthasarathy G. et al. Natural fullerenes from the Cretaceous-Tertiary boundary layer at Anjar, Kutch.(англ.) // Geological Society of America Special Papers (2002) 356: 345—350 DOI:10.1130/0-8137-2356-6.345
  13. ↑ Buseck P.R. Geological fullerenes: review and analysis. (англ.)// Earth and Planetary Science Letters. (2002) 203(I 3-4): 781—792 DOI: 10.1016/S0012-821X(02)00819-1<
  14. ↑ Sanchís J et al. Occurrence of aerosol-bound fullerenes in the Mediterranean Sea atmosphere.(англ.) // Environ Sci Technol. (2012). 46(3): 1335-43. DOI: 10.1021/es200758m
  15. ↑ Cami J. et al.. Detection of C60 and C70 in a Young Planetary Nebula (англ.)// Science. (2010) 329(5996): 1180—1182 — DOI: 10.1126/science.1192035
  16. ↑ Evans A. et al. Solid-phase C-60 in the peculiar binary XX Oph? (англ.)MNRAS Letters. (2012) 421(1): L92-L96
  17. ↑ 17,0 17,1 Белоусов В. П., Будтов В. П., Данилов О. Б., Мак А. А. Оптический Журнал, т.64, № 12, с.3 (1997)
  18. ↑ * Герасимов В. И. «Изомеры фуллеренов», журнал Физика и механика материалов ISSN 1605—2730 volume 20 No 1 с.25-31
  19. ↑ Kratschmer W., Lamb L.D., Fostiropoulos K., Huffman D.R. Nature, V.347, № 354 (1990)
  20. ↑ Г.П.Ковтун, А.А.Веревкин. Наноматериалы: технологии и материаловедение. Обзор. — Харьков: ННЦ ХФТИ, 2010. — 73 с.
  21. ↑ Ozawa M., Deota P., Ozawa E., Fullerene Sci. Technol. V. 7. № 3. P. 387—409 (1999)
  22. ↑ Diederich F., Nature. V. 369. P. 199—207 (1994)
  23. ↑ Богданов А. А., Дайнигер Д., Дюжев Г. А. ЖТФ. Т. 70, № 5. С. 1 (2000)
  24. ↑ 24,0 24,1 24,2 24,3 Вуль А. Я. Материалы электронной техники. № 3. С. 4 (1999)
  25. ↑ Елецкий А. В., Смирнов Б. М. // УФН. — Т. 163, № 2. — С. 33 (1993)
  26. ↑ Vaughan G. B. M. et al. Science, V. 254, P. 1350 (1991)
  27. ↑ doi:10.1038/44348
    This citation will be automatically completed in the next few minutes. You can jump the queue or expand by hand
  28. ↑ «Квантовые свойства фуллерена». Արխիվացված է օրիգինալից 2012 թ․ հունվարի 12-ին. Վերցված է 2020 թ․ սեպտեմբերի 5-ին.
  29. ↑ G. V. Andrievsky, M. V. Kosevich, O. M. Vovk, V. S. Shelkovsky, L. A. Vashchenko. ON THE PRODUCTION OF AN AQUEOUS COLLOIDAL SOLUTION OF FULLERENES. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 12 (1995) 1281—1282.
  30. ↑ G. V. Andrievsky, V. K. Klochkov, A. Bordyuh, G. I. Dovbeshko. COMPARATIVE ANALYSIS OF TWO AQUEOUS-COLLOIDAL SOLUTIONS OF C60 FULLERENE WITH HELP OF FT-IR REFLECTANCE AND UV-VIS SPECTROSCOPY. Chem. Phys. Letters, 364 (2002) 8-17.
  31. ↑ G. V. Andrievsky, V. K. Klochkov, L. I. Derevyanchenko. Is C60 fullerene molecule toxic?! Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 13 (4), (2005) 363-37
  32. ↑ G. V. Andrievsky, V. I. Bruskov, A. A. Tykhomyrov, S. V. Gudkov. Peculiarities of the antioxidant and radioprotective effects of hydrated c60 fullerene nanostuctures in vitro and in vivo. Free Radical Biology & Medicine, 47 (2009) 786—793.
  33. ↑ «Fullerene (C60 and C70) aqueous solutions». Արխիվացված է օրիգինալից 2011 թ․ դեկտեմբերի 31-ին. Վերցված է 2010 թ․ փետրվարի 6-ին.
  34. ↑ Y. Wada, M. Tsukada, M. Fujihira, K. Matsushige, T. Ogawa et al., «Prospects and Problems of Single Molecule Information Devices», Jpn. J. Appl. Phys., V. 39, Part 1, N 7A, pp. 3835-3849 (2000)
  35. ↑ Hebard A.F. Annu. Rev. Mater. Sci., V.23, P.159 (1993)
  36. ↑ Baati, T., Bourasset, F., Gharbi, N., Njim, L., Abderrabba, M., Kerkeni, A., Szwarc, H. & Moussa, F. (2012). The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of [60] fullerene. Biomaterials, 33(19), 4936-4946.
  37. ↑ Hendrickson, O. D., Morozova, O. V., Zherdev, A. V., Yaropolov, A. I., Klochkov, S. G., Bachurin, S. O., & Dzantiev, B. B. (2015). Study of distribution and biological effects of fullerene c60 after single and multiple intragastrical administrations to rats. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 23(7), 658—668. doi:10.1080/1536383X.2014.949695
  38. ↑ ДжагаровД. Э. (2012). Алхимия «волшебной сажи» — перспективы применения фуллерена С60 в медицине. Биомолекула.ру
  39. ↑ Cong, W., Wang, P., Qu, Y., Tang, J., Bai, R., Zhao, Y., … & Bi, X. (2015): Evaluation of the influence of fullerenol on aging and stress resistance using Caenorhabditis elegans. Biomaterials, 42, 78-86. doi:10.1016/j.biomaterials.2014.11.048
  40. ↑ Living Longer — C60 Olive Oil Interview with Professor Fathi Moussa — C60oo Longevity study, Universtiry of Paris, Streamed live on Mar 18, 2015
  41. ↑ «Фуллерены VS аллергия» — сайт «Медицина 2.0», дайджест статьи
  42. ↑ John J. Ryan et al. Fullerene Nanomaterials Inhibit the Allergic Response(անգլ.) // The Journal of Immunology. — 2007. — Т. 179. — С. 665—672. — PMID 17579089.
  43. ↑ Simon H. Friedman et al. Inhibition of the HIV-1 protease by fullerene derivatives: model building studies and experimental verification(անգլ.) // J. Am. Chem. Soc.. — 1993. — Т. 115. — № 15. — С. 6506–6509. — doi:10.1021/ja00068a005

Գրականություն

խմբագրել
  • Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Фуллерены и структуры углерода // Успехи физических наук. — 1995. — № 9.
  • Борщевский А. Я., Иоффе И. Н., Сидоров Л. Н., Троянов С. И., Юровская М. А. Фуллерены Արխիվացված 2020-08-06 Wayback Machine // Нанометр, июнь 2007.
  • Сидоров Л. Н., Иоффе И. Н.??? // СОЖ. — 2001. — № 8. — С. 30-36.
  • Hirsch, A.; Brettreich, M. Fullerenes: Chemistry and Reactions; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, 2005.
  • Сидоров Л. Н., Иоффе И. Н. Эндоэдральные фуллерены // Соросовский образовательный журнал. — 2001. — Т. 7, № 8. — С. 30-36.
  • Золотухин И. В. Фуллерит — новая форма углерода // Соросовский образовательный журнал. — 1996. — № 2. — С. 51-56.
  • Блюменфельд Л. А., Тихонов А. Н. Электронный парамагнитный резонанс // Соросовский образовательный журнал. — 1997. — № 9. — С. 91-99.
  • Вовна В. И. Фотоэлектронная спектроскопия молекул // Соросовский образовательный журнал. — 1999. — № 1. — С. 86-91.
  • Порай-Кошиц М. А. Основы структурного анализа химических соединений. — М.: Высшая школа, 1982.
  • Ведринский Р. В. EXAFS-спектроскопия — новый метод структурного анализа // Соросовский образовательный журнал. — 1996. — № 5. — С. 79-84.
  • Воронков В. К. Ядерный магнитный резонанс // Соросовский образовательный журнал. — № 10. — С. 70-75.
  • Юровская М. А. Методы получения производных фуллеренов // Соросовский образовательный журнал. — 2000. — Т. 6, № 5. — С. 26-30.
  • Сидоров Л. Н., Макеев Ю. А. Химия фуллеренов // Соросовский образовательный журнал. — 2000. — № 5. — С. 21-25.
  • Костиков Р. Р. Принципы органического синтеза // Соросовский образовательный журнал. 1999. № 1. С. 19-27.
  • Тихонов А. Н. Спиновые метки // Соросовский образовательный журнал. — 1998. — № 1. — С. 8-15.
  • Воронов В. К., Подоплелов А. В. Современная физика: Учебное пособие. — М.: КомКнига, 2005. — 512 с., 2005 г., ISBN 5-484-00058-0, тир. 5000 экз., Гл. 5. Атомная физика, п. 5.8. Эндоэдральные соединения, c. 287—289.
  • Герасимов В. И. Изомеры фуллеренов // Физика и механика материалов. ISSN 1605—2730. Vol. 20, No 1. — P. 25-31.

Արտաքին հղումներ

խմբագրել
Տես՝ фуллерен Վիքիբառարան, բառարան և թեզաուրուս
Ստացված է «https://hy.wiki.x.io/w/index.php?title=Ֆուլերեն&oldid=9491806» էջից