Mở trình đơn chính

Một fullerene là một allotrope carbon mà phân tử gồm cacbon nguyên tử nối với nhau bằng liên kết đơn và đôi để tạo thành một lưới khép kín hoặc khép kín một phần, với chiếc nhẫn fused của 5-7 nguyên tử. Phân tử có thể là một hình cầu rỗng , hình elip , ống hoặc nhiều hình dạng và kích cỡ khác. Graphene (các lớp nguyên tử than chì bị cô lập ), là một lưới phẳng của các vòng lục giác đều , có thể được coi là một thành viên cực đoan của gia đình.

Fullerene với cấu trúc liên kết lưới kín được ký hiệu không chính thức bởi công thức thực nghiệm C n , thường được viết C n , trong đó n là số lượng nguyên tử carbon. Tuy nhiên, đối với một số giá trị của n có thể có nhiều hơn một đồng phân .

Gia đình được đặt theo tên của buckminsterfullerene (C 60 ), thành viên nổi tiếng nhất, đến lượt nó được đặt theo tên của Buckminster Fuller . Fullerenes kín, đặc biệt là C 60 , cũng được gọi một cách không chính thức là buckyball vì sự tương đồng rõ ràng của chúng với bóng tiêu chuẩn của bóng đá hiệp hội ("bóng đá") . Fullerenes lồng nhau đã được đặt tên là hành tây bucky . Fullerenes hình trụ còn được gọi là ống nano carbon hoặc buckytubes . Dạng rắn số lượng lớn của fullerene tinh khiết hoặc hỗn hợp được gọi là fullerite . [ không được xác minh trong cơ thể ]

Fullerenes đã được dự đoán trong một thời gian, nhưng chỉ sau khi tổng hợp ngẫu nhiên vào năm 1985, chúng mới được phát hiện trong tự nhiên [1] [2] và ngoài vũ trụ. [3] [4] Việc phát hiện ra fullerene đã mở rộng đáng kể số lượng các đồng vị carbon đã biết, trước đây chỉ giới hạn ở than chì, kim cương và carbon vô định hình như bồ hóng và than củi . Chúng là chủ đề của nghiên cứu mạnh mẽ, cả về hóa học và ứng dụng công nghệ, đặc biệt là trong khoa học vật liệu , điện tử và công nghệ nano . [5]


Lịch sử [ sửa ]Sửa đổi

Các icosah thờ fullerene C 540 , một thành viên khác trong gia đình fullerenes

Dự đoán và quan sát hạn chế [ sửa ]Sửa đổi

Nhà thờ C 60 giờ 60 lồng được đề cập vào năm 1965 như là một cấu trúc tôpô có thể. [6] Eiji Osawahiệntại Đại học Công nghệ Toyohashidự đoán sự tồn tại củaC

60 vào năm 1970. [7] [8] Ông nhận thấy rằng cấu trúc của mộtphân tửcorannulenelà một tập hợp con có hình dạng của một quả bóng đá, và đưa ra giả thuyết rằng hình dạng quả bóng đầy đủ cũng có thể tồn tại. Các tạp chí khoa học Nhật Bản đã báo cáo ý tưởng của ông, nhưng nó cũng không phải bất kỳ bản dịch nào của nó đến châu Âu hay châu Mỹ.

Cũng trong năm 1970, RW Henson (khi đó là Cơ sở Nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử của Anh ) đã đề xuất C

60 cấu trúc và thực hiện một mô hình của nó. Thật không may, bằng chứng cho thấy dạng carbon mới vào thời điểm đó rất yếu, vì vậy đề xuất này đã gặp phải sự hoài nghi, và không bao giờ được công bố. Nó chỉ được thừa nhận vào năm 1999. [9] [10]

Năm 1973, độc lập với Henson, một nhóm các nhà khoa học từ Liên Xô đã thực hiện một phân tích hóa học lượng tử về tính ổn định của C

60 và tính toán cấu trúc điện tử của nó. Bài báo được xuất bản năm 1973, [11] nhưng cộng đồng khoa học không coi trọng dự đoán lý thuyết này.

Khoảng năm 1980, Sumio Iijima đã xác định phân tử C60 từ hình ảnh kính hiển vi điện tử của muội than , nơi nó hình thành lõi của một hạt với cấu trúc của một "củ hành tây". [12]

Khám phá về C 60 [sửa]Sửa đổi

Năm 1985 Harold Kroto thuộc Đại học Sussex , làm việc với James R. Heath , Sean O'Brien , Robert Curl và Richard Smalley từ Đại học Rice , đã phát hiện ra fullerenes trong tàn dư muội muội được tạo ra bằng cách bốc hơi carbon trong bầu khí quyển helium . Trong phổ khối của sản phẩm, các đỉnh riêng biệt xuất hiện tương ứng với các phân tử có khối lượng chính xác là sáu mươi hoặc bảy mươi hoặc nhiều nguyên tử carbon, cụ thể là C

60 vàC

70 . Nhóm nghiên cứu xác định cấu trúc của chúng là "buckyball" quen thuộc. [13]

Cái tên "buckminsterfullerene" cuối cùng đã được chọn cho C

60 bởi những người khám phá như một sự tôn kính đối vớikiến trúc sưngười Mỹ Buckminster Fullervì sự tương đồng mơ hồ của cấu trúc với cácvòm trắc địamà ông đã phổ biến; trong đó, nếu chúng được mở rộng thành một hình cầu đầy đủ, cũng sẽ có nhóm đối xứng icosah thờ. [14] Kết thúc "ene" được chọn để chỉ ra rằng các nguyên tử cacbonkhông bão hòa, chỉ được kết nối với ba nguyên tử khác thay vì bốn nguyên tử thông thường. Cuối cùng, tên rút gọn "fullerene" đã được áp dụng cho cả gia đình.

Kroto, Curl và Smalley đã được trao giải thưởng Nobel về hóa học năm 1996 [15] cho vai trò của họ trong việc khám phá ra loại phân tử này.

Phát triển hơn nữa [ sửa ]Sửa đổi

Kroto và nhóm Rice đã phát hiện ra các fullerene khác ngoài C60, [13] và danh sách này đã được mở rộng hơn nhiều trong những năm tiếp theo. Các ống nano carbon lần đầu tiên được phát hiện và tổng hợp vào năm 1991. [16] [17]

Sau khi khám phá ra, một lượng nhỏ fullerene được tìm thấy được tạo ra trong ngọn lửa sooty , [ cần dẫn nguồn ] và bằng cách phóng sét trong khí quyển. [2] Năm 1992, fullerene được tìm thấy trong một gia đình khoáng sản được gọi là shungites ở Karelia , Nga. [1] .

Các kỹ thuật sản xuất đã được cải thiện bởi nhiều nhà khoa học, bao gồm Donald Huffman , Wolfgang Krätschmer , Lowell D. Lamb và Konstantinos Fostiropoulos . [ cần dẫn nguồn ] Nhờ những nỗ lực của họ, đến năm 1990, việc sản xuất các mẫu bột fullerene cỡ gram tương đối dễ dàng. Tinh chế Fullerene vẫn là một thách thức đối với các nhà hóa học và ở một mức độ lớn xác định giá fullerene.

Năm 2010, chữ ký quang phổ của C 60 và C 70 đã được quan sát bằng kính viễn vọng hồng ngoại Spitzer của NASA trong một đám mây bụi vũ trụ bao quanh một ngôi sao cách xa 6500 năm ánh sáng. [3]Kroto nhận xét: "Bước đột phá thú vị nhất này cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng buckyball, như tôi nghi ngờ từ lâu, đã tồn tại từ thời xa xưa trong vùng hẻo lánh của thiên hà chúng ta." [4] Theo nhà thiên văn học Letizia Stanghellini, "Có thể những quả bóng từ ngoài vũ trụ đã cung cấp hạt giống cho sự sống trên Trái đất." [18] Năm 2019, các phân tử C60 bị ion hóa đã được phát hiện bằng Kính viễn vọng Không gian Hubble trong không gian giữa các ngôi sao đó. [19][20]

Các loại [ sửa ]Sửa đổi

Có hai họ fullerene, với các tính chất và ứng dụng khá khác biệt: buckyball kín và ống nano carbon hình trụ kết thúc mở. [21] Tuy nhiên, các cấu trúc lai tồn tại giữa hai lớp đó, chẳng hạn như các ống nano carbon - ống nano được phủ bởi các lưới bán cầu hoặc "bucky miếng" lớn hơn.

Buckyball [ sửa ]Sửa đổi

C 60 với bề mặt cân bằng của mật độ electron trạng thái mặt đất như được tính toán vớiDFT Góc nhìn của C 60 , một loại fullerene

Buckminsterfullerene [ sửa ]Sửa đổi

Bài viết chính: Buckminsterfullerene

Buckminsterfullerene là phân tử fullerene nhỏ nhất chứa các vòng ngũ giác và lục giác trong đó không có hai hình ngũ giác có chung một cạnh (có thể gây bất ổn, như trong pentalene ). Nó cũng phổ biến nhất về sự xuất hiện tự nhiên, vì nó thường có thể được tìm thấy trong bồ hóng .

Công thức thực nghiệm của buckminsterfullerene là C

60 và cấu trúc của nó là một khốihình chữ nhật bị cắt cụt, giống như mộtquả bóng đá liên kếtloại được tạo thành từ hai mươi hình lục giác và mười hai hình ngũ giác, với một nguyên tử carbon ở các đỉnh của mỗi đa giác và liên kết dọc theo mỗi cạnh của đa giác.

Các van der Waals đường kính của một phân tử Buckminsterfullerene là khoảng 1,1 nanomet (nm). [22] Đường kính hạt nhân đến hạt nhân của một phân tử buckminsterfullerene là khoảng 0,71nm.

Phân tử buckminsterfullerene có hai độ dài liên kết. Liên kết vòng 6: 6 (giữa hai hình lục giác) có thể được coi là " liên kết đôi " và ngắn hơn liên kết 6: 5 (giữa hình lục giác và hình ngũ giác). Chiều dài trái phiếu trung bình của nó là 1,4 angstroms.

Fullerenes khác [ sửa ]Sửa đổi

Một fullerene khá phổ biến khác có công thức thực nghiệm C

70 , [23] nhưng fullerene với 72, 76, 84 và thậm chí lên tới 100 nguyên tử carbon thường thu được.

Fullerene nhỏ nhất có thể là dodecah thờ C

20 . Không có fullerene với 22 đỉnh. [24] Số lượng fullerene khác nhau C2ntăng lên khi tăngn = 12, 13, 14, ..., tỷ lệ xấp xỉ vớin9(trình tự A007894 trongOEIS). Ví dụ, có 1812 fullerenes không đẳng cấuC

60 . Lưu ý rằng chỉ có một dạngC

60 , buckminsterfullerene, không có cặp ngũ giác liền kề (loại fullerene nhỏ nhất như vậy). Để minh họa rõ hơn cho sự tăng trưởng, có 214.127.713 fullerenes không đẳng cấuC

200 , 15.655.672 trong số đó không có hình ngũ giác liền kề. Cấu trúc tối ưu hóa của nhiều đồng phân fullerene được công bố và liệt kê trên web. [25]

Heterofullerenes có các dị hợp thay thế các nguyên tử cacbon trong các cấu trúc lồng hoặc hình ống. Chúng được phát hiện vào năm 1993 [26] và mở rộng đáng kể lớp hợp chất fullerene tổng thể. Các ví dụ đáng chú ý bao gồm boron, nitơ ( azafullerene ), oxy và các dẫn xuất phốt pho.

Vật liệu nano carbon Trimetasphere được phát hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Virginia Tech và được cấp phép độc quyền cho Luna Innovations . Lớp phân tử mới này bao gồm 80 nguyên tử carbon ( C

80 ) tạo thành một khối cầu bao gồm phức hợp gồm ba nguyên tử kim loại và một nguyên tử nitơ. Những fullerene này đóng gói các kim loại đặt chúng trong tập hợp con được gọi làmetallicofullerenes. Trimetaspheres có tiềm năng sử dụng trong chẩn đoán (như các tác nhân hình ảnh an toàn), trị liệu[27] và trong các pin mặt trời hữu cơ. [28]

Ống nano carbon [ sửa ]Sửa đổi

Mô hình xoay của ống nano carbon nàycho thấy cấu trúc 3D của nó.

Ống nano carbon là fullerene hình trụ. Những ống carbon này thường chỉ rộng vài nanomet, nhưng chúng có thể có chiều dài từ dưới một micromet đến vài mm chiều dài. Chúng thường có kết thúc khép kín, nhưng cũng có thể là kết thúc mở. Cũng có trường hợp ống giảm đường kính trước khi đóng. Cấu trúc phân tử độc đáo của chúng dẫn đến các đặc tính vĩ mô phi thường, bao gồm độ bền kéo cao , độ dẫn điện cao , độ dẻo cao , độ dẫn nhiệt cao và không hoạt động hóa họctương đối (vì nó là hình trụ và "phẳng" - nghĩa là nó không có các nguyên tử "tiếp xúc" có thể dễ dàng thay thế). Một đề xuất sử dụng ống nano carbon là trongpin giấy , được phát triển vào năm 2007 bởi các nhà nghiên cứu tại Học viện Bách khoa Rensselaer . [29] Một ứng dụng được đề xuất mang tính đầu cơ cao khác trong lĩnh vực công nghệ vũ trụ là sản xuất cáp carbon có độ bền kéo cao theo yêu cầu của thang máy không gian .

Đạo hàm [ sửa ]Sửa đổi

Buckyball và ống nano carbon đã được sử dụng làm khối xây dựng cho rất nhiều dẫn xuất và cấu trúc lớn hơn, chẳng hạn như [21]

  • Buckyball lồng nhau ("hành tây nano carbon" hoặc "buckyonions") [30] được đề xuất cho chất bôi trơn; [31]
  • Các ống nano carbon lồng nhau ("megatubes carbon") [32]
  • Các bộ điều chỉnh "bóng và chuỗi" được liên kết (hai buckyball được liên kết bởi một chuỗi carbon) [33]
  • Nhẫn của buckyball liên kết với nhau. [34]

Heterofullerenes và fullerenes carbon [ sửa ]Sửa đổi

Sau khi phát hiện ra C60, nhiều fullerene đã được tổng hợp (hoặc nghiên cứu về mặt lý thuyết bằng phương pháp mô hình hóa phân tử ) trong đó một số hoặc tất cả các nguyên tử carbon được thay thế bằng các nguyên tố khác. Các ống nano vô cơ , đặc biệt, đã thu hút nhiều sự chú ý.

Silicon [ sửa ]Sửa đổi

Silicon buckyball đã được tạo ra xung quanh các ion kim loại.

Boron [ sửa ]Sửa đổi

Một loại buckyball sử dụng các nguyên tử boron , thay vì carbon thông thường, đã được dự đoán và mô tả vào năm 2007. B

Cấu trúc 80 , với mỗi nguyên tử hình thành 5 hoặc 6 liên kết, được dự đoán là ổn định hơn C 60 buckyball. [35] Một lý do cho điều này được đưa ra bởi các nhà nghiên cứu là B 80 thực sự giống với cấu trúc vòm trắc địa ban đầu được phổ biến bởi Buckminster Fuller, sử dụng hình tam giác thay vì hình lục giác. Tuy nhiên, công trình này đã bị chỉ trích nhiều bởi các nhà hóa học lượng tử [36] [37] vì đã kết luận rằng cấu trúc đối xứngIh đượcdự đoánlà không ổn định và lồng được trải qua một sự phá vỡ đối xứng tự phát, tạo ra một cái lồng bị mắc kẹt với T hiếmhđối xứng (đối xứng của một quảbóng chuyền). [36]Số vòng sáu thành viên trong phân tử này là 20 và số vòng năm thành viên là 12. Có một nguyên tử bổ sung ở trung tâm của mỗi vòng sáu thành viên, liên kết với mỗi nguyên tử bao quanh nó. Bằng cách sử dụng thuật toán tìm kiếm toàn cầu có hệ thống, sau đó người ta thấy rằng B80 fullerene được đề xuất trước đây không phải là tối thiểu toàn cầu đối với các cụm boron nguyên tử 80 và do đó không thể tìm thấy trong tự nhiên. [38] Trong cùng một bài báo của Sandip De và cộng sự, người ta đã kết luận rằng cảnh quan năng lượng của boron khác biệt đáng kể so với các fullerene khác đã được tìm thấy trong tự nhiên do đó boron fullerene không có khả năng tồn tại trong tự nhiên.

Các yếu tố khác [ sửa ]Sửa đổi

Các cấu trúc fullerene vô cơ (không có carbon) đã được xây dựng với di sulfide của molybdenum (MoS 2 ) , từ lâu được sử dụng làm chất bôi trơn giống như than chì, vonfram (WS 2 ) , titan (TiS 2 ) và niobi (NbS 2 ) . Những vật liệu này đã được tìm thấy ổn định lên đến ít nhất 350 tấn / cm 2 (34,3 GPa ). [39]

Fullerenes chính [ sửa ]Sửa đổi

Dưới đây là bảng tổng hợp carbon fullerenes tổng hợp và đặc trưng cho đến nay, với số CAS của chúng khi được biết. [40] Fullerene có ít hơn 60 nguyên tử carbon được gọi là "fullerene thấp hơn" và những nguyên tử có hơn 70 nguyên tử "fullerene cao hơn". [ cần dẫn nguồn ]

Công thức Số

Đồng phân

Mol.

Symm.

Cirt.

Symm.

Nhóm không gian Không Một Một Biểu tượng Pearson một (bước sóng) b (nm) c (bước sóng) β ° Z ρ

(g / cm 3 )

C

20

1 Tôi h
C

60

1 Tôi h
C

70

1 D 5h
C

72

1 D 6h
C

74

1 D 3h
C

76

2 D 2 * Monoclinic P2 1 4 mP2 1.102 1.108 1.768 108.10 2 1,48
Hình khối Fm 3 m 225 cF4 1.5485 1.5485 1.5485 90 4 1,64
C

78

5 D 2v
C

80

7
C

82

9 C

2 , C2v, C3v

Monoclinic P2 1 4 mP2 1.141 1.1355 1,8355 108,07 2
C

84

24 D 2 *, D 2d Hình khối Fm 3 m 1,5817 [41] 1,5817 1,5817 90
C

86

19
C

88

35
C

90

46
C

3996

Trong bảng, "Num.Isom." là số lượng các đồng phân có thể có trong "quy tắc ngũ giác bị cô lập", trong đó tuyên bố rằng hai ngũ giác trong một fullerene không nên chia sẻ các cạnh. [42] "Mol.Symm." là tính đối xứng của phân tử, [43] [44] , trong khi "Cryst.Symm." là của khung tinh thể ở trạng thái rắn. Cả hai đều được chỉ định cho (các) dạng thử nghiệm phong phú nhất. Dấu hoa thị * đánh dấu các đối xứng có nhiều hơn một dạng chirus.

Khi C 76 hoặc C 82 tinh thể được phát triển từ dung dịch toluene chúng có tính đối xứng đơn hình. Cấu trúc tinh thể chứa các phân tử toluene được đóng gói giữa các quả cầu của fullerene. Tuy nhiên, bay hơi dung môi từ C 76 biến nó thành một hình khối tập trung vào mặt. [45] Cả haipha khối(fcc)đơn tâm và mặt trung tâm được biết đến với C đặc trưng tốt hơn 60 và C 70 fullerene.

Thuộc tính [ chỉnh sửa ]Sửa đổi

Cấu trúc liên kết [ sửa ]Sửa đổi

Các sơ đồ Schlegel thường được sử dụng để làm rõ cấu trúc 3D của fullerene vỏ kín, vì các hình chiếu 2D thường không lý tưởng theo nghĩa này. [46]

Theo thuật ngữ toán học, cấu trúc liên kết tổ hợp (nghĩa là các nguyên tử carbon và các liên kết giữa chúng, bỏ qua vị trí và khoảng cách của chúng) của một fullerene vỏ kín với bề mặt trung bình giống hình cầu đơn giản ( có thể định hướng , chi 0) một khối đa diện lồi ; chính xác hơn, bộ xương một chiều của nó, bao gồm các đỉnh và cạnh của nó. Biểu đồ Schlegel là hình chiếu của bộ xương đó lên một trong các mặt của khối đa diện, thông qua một điểm ngay bên ngoài khuôn mặt đó; để tất cả các đỉnh khác dự án bên trong khuôn mặt đó.

Sơ đồ Schlegel của một fullerene khép kín là một đồ thị đó là phẳng và 3 thường xuyên (hoặc "khối"; nghĩa là tất cả các đỉnh có độ 3.

Một fullerene kín có vỏ giống như hình cầu phải có ít nhất một số chu kỳ là ngũ giác hoặc heptagons. Chính xác hơn, nếu tất cả các mặt có 5 hoặc 6 cạnh, nó xuất phát từ công thức đa diện của Euler , V - E + F = 2 (trong đó V , E , F là số đỉnh, cạnh và mặt), V phải là chẵn và phải có chính xác 12 hình ngũ giác và hình lục giác V / 2−10. Các ràng buộc tương tự tồn tại nếu fullerene có chu kỳ heptagonal (bảy nguyên tử). [47]

Fullerene mở, như ống nano carbon và graphene, có thể bao gồm hoàn toàn các vòng lục giác. Về lý thuyết, một ống nano dài có các đầu được nối để tạo thành một tấm giống hình xuyến kín cũng có thể bao gồm hoàn toàn các hình lục giác.

Liên kết [ sửa ]Sửa đổi

Vì mỗi nguyên tử carbon chỉ được kết nối với ba nước láng giềng, thay vì bốn nguyên tử thông thường, nên thông thường mô tả các liên kết đó là hỗn hợp của liên kết cộng hóa trị đơn và kép .

Đóng gói [ sửa ]Sửa đổi

Cái gọi là fullerener endoh thờ có các ion hoặc phân tử nhỏ được kết hợp bên trong các nguyên tử lồng.

Nghiên cứu [ sửa ]Sửa đổi

Đầu những năm 2000, các tính chất hóa học và vật lý của fullerene là một chủ đề nóng trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển. Khoa học phổ biến đã thảo luận về việc sử dụng fullerenes (graphene) trong áo giáp . [48]

Trong lĩnh vực công nghệ nano , khả năng chịu nhiệt và siêu dẫn là một số tính chất được nghiên cứu nhiều hơn.

Có nhiều tính toán đã được thực hiện bằng phương pháp lượng tử ab-initio áp dụng cho fullerene. Bằng phương pháp DFT và TD-DFT, người ta có thể thu được phổ IR , Raman và UV . Kết quả tính toán như vậy có thể được so sánh với kết quả thí nghiệm.

Fullerene là một chất phản ứng bất thường trong nhiều phản ứng hữu cơ như phản ứng Bingel được phát hiện vào năm 1993.

Độ thơm [ sửa ]Sửa đổi

Các nhà nghiên cứu đã có thể tăng khả năng phản ứng của fullerene bằng cách gắn các nhóm hoạt động lên bề mặt của chúng. Buckminsterfullerene không triển lãm " superaromaticity ": đó là, các electron trong các vòng lục giác không delocalize trên toàn bộ phân tử.

Một fullerene hình cầu của n nguyên tử carbon có n electron liên kết pi , tự do định vị. Những điều này nên cố gắng tối ưu hóa trên toàn bộ phân tử. Cơ học lượng tử của sự sắp xếp như vậy chỉ giống như một vỏ của cấu trúc cơ học lượng tử nổi tiếng của một nguyên tử, với vỏ được lấp đầy ổn định cho n = 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, 128, v.v.; tức là hai lần một số vuông hoàn hảo ; nhưng loạt bài này không bao gồm 60. Quy tắc 2 ( N  + 1) 2 này (với số nguyên N ) cho độ thơm hình cầu là tương tự ba chiều của quy tắc Hückel . Cation 10+sẽ đáp ứng quy tắc này, và nên thơm. Điều này đã được chứng minh là trường hợp sử dụng mô hình hóa học lượng tử , cho thấy sự tồn tại của dòng điện hình cầu từ tính mạnh trong cation. [49]

Kết quả là C 60 trong nước có xu hướng nhặt thêm hai electron và trở thành anion. Các nC 60 mô tả dưới đây có thể là kết quả của C60 cố gắng hình thành một liên kết kim loại lỏng lẻo.

Phản ứng [ sửa ]Sửa đổi

Polyme hóa [ sửa ]Sửa đổi

Dưới áp suất và nhiệt độ cao, các buckyball sụp đổ để tạo thành các khung carbon một, hai, hoặc ba chiều. Các polyme mạch đơn được hình thành bằng cách sử dụng tuyến trùng hợp gốc chuyển giao nguyên tử (ATRAP) nguyên tử [50]

"Ultrahard fullerite" là một thuật ngữ được đặt ra thường được sử dụng để mô tả vật liệu được sản xuất bởi quá trình xử lý fullerite ở nhiệt độ cao áp suất cao (HPHT). Điều trị như vậy chuyển đổi fullerite thành một dạng kim cương tinh thể nano đã được báo cáo để thể hiện các tính chất cơ học đáng chú ý. [51] Fullerite ( quét hình ảnh kính hiển vi điện tử )

Hóa học [ sửa ]Sửa đổi

Bài chi tiết: Hóa học Fullerene

Fullerenes ổn định, nhưng không hoàn toàn không hợp lý. Các nguyên tử carbon được điều chỉnh sp 2 , ở mức tối thiểu năng lượng của chúng trong than chì phẳng , phải được uốn cong để tạo thành hình cầu hoặc ống kín, tạo ra biến dạng góc . Phản ứng đặc trưng của fullerene là bổ sung điện di ở liên kết đôi 6,6, làm giảm biến dạng góc bằng cách thay đổi các nguyên tử cacbon 2-điều chỉnh thành sp 3-điều chỉnh. Sự thay đổi quỹ đạo lai làm cho các góc liên kết giảm từ khoảng 120 ° trong quỹ đạo sp 2 xuống còn khoảng 109,5 ° trong sp 3quỹ đạo. Sự giảm góc liên kết này cho phép các liên kết uốn cong ít hơn khi đóng hình cầu hoặc ống, và do đó, phân tử trở nên ổn định hơn.

Các nguyên tử khác có thể bị mắc kẹt bên trong fullerene để tạo thành các hợp chất bao gồm được gọi là fullereneres endoh thờ . Một ví dụ khác thường là fullerene hình trứng Tb 3 N @ C 84 , vi phạm quy tắc ngũ giác bị cô lập. [52] Bằng chứng gần đây về tác động của thiên thạch vào cuối thời kỳPermiđã được tìm thấy bằng cách phân tíchcác loại khí quýđược bảo tồn. [53] Các chế phẩmdựa trên cơsởluyện kim bằng cách sử dụng quy trình thép rhonditic đang bắt đầu sản xuất như là một trong những cách sử dụng thương mại đầu tiên của buckyballs.

Độ hòa tan [ sửa ]Sửa đổi

Bài chi tiết: Độ hòa tan FullereneC 60 trong dung dịchC 60 trong dầu ô liu thêm nguyên chất cho thấy màu tím đặc trưng củaCnguyên sơ 60 giải pháp Fullerenes hòa tan trong nhiều dung môi hữu cơ , chẳng hạn như toluene , chlorobenzene và 1,2,3-trichloropropane . Độ hòa tan thường khá thấp, như 8 g / L đối với C 60 trong carbon disulfide . Tuy nhiên, fullerene là loại allotrope duy nhất được biết đến có thể hòa tan trong dung môi thông thường ở nhiệt độ phòng. [54] [55] [56] [57] [58]Trong số các dung môi tốt nhất là 1-chloronaphthalene , sẽ hòa tan 51 g / L C 60 .

Các giải pháp của buckEGAfullerene tinh khiết có màu tím đậm. Giải pháp của C 70 là một màu nâu đỏ. Cácfullerene cao hơn C 76 đếnC 84 có nhiều màu sắc. Tinh thể C cỡ milimet 60 vàC 70 , cả tinh khiết và hòa tan, có thể được trồng từ dung dịch benzen. Kết tinh C60 từ dung dịch benzen dưới 30 ° C (khi độ hòa tan tối đa) thu được một chất rắnba chiều hòa tan C 60 · 4C 6 giờ 6 . Trên 30 ° C, người ta thu được fcc C không có solvate 60 . [59] [60]

Cơ học lượng tử [ sửa ]Sửa đổi

Năm 1999, các nhà nghiên cứu từ Đại học Vienna đã chứng minh rằng tính lưỡng tính sóng hạt áp dụng cho các phân tử như fullerene. [61]

Siêu dẫn [ sửa ]Sửa đổi

Bài viết chính: Buckminsterfullerene

Fullerene thường là chất cách điện, nhưng khi kết tinh với kim loại kiềm, hợp chất thu được có thể được dẫn hoặc thậm chí siêu dẫn. [62]

Chirality [ sửa ]Sửa đổi

Một số fullerene (ví dụ C 76 ,C 78 ,C 80 vàC 84 )vốnlàchirusvì chúng là D2-đốixứng và đã được giải quyết thành công. Những nỗ lực nghiên cứu đang tiếp tục để phát triển các cảm biến cụ thể cho các đối thủ của họ.

Ổn định [ sửa ]Sửa đổi

Hai lý thuyết đã được đề xuất để mô tả các cơ chế phân tử tạo ra fullerene. Lý thuyết cũ hơn, từ dưới lên trên của Wikipedia đề xuất rằng chúng được chế tạo theo nguyên tử. Cách tiếp cận thay thế từ trên xuống của Wap khẳng định rằng fullerene hình thành khi các cấu trúc lớn hơn nhiều phá vỡ thành các bộ phận cấu thành. [63]

Năm 2013, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng fullerene không đối xứng được hình thành từ các cấu trúc lớn hơn ổn định thành fullerene ổn định. Chất tổng hợp là một metallicofullerene đặc biệt bao gồm 84 nguyên tử carbon với hai nguyên tử carbon bổ sung và hai nguyên tử yttri bên trong lồng. Quá trình sản xuất khoảng 100 microgam. [63]

Tuy nhiên, họ phát hiện ra rằng phân tử bất đối xứng về mặt lý thuyết có thể sụp đổ để hình thành gần như mọi fullerene và metallicofullerene đã biết. Các nhiễu loạn nhỏ liên quan đến việc phá vỡ một vài liên kết phân tử làm cho lồng trở nên có tính đối xứng và ổn định cao. Cái nhìn sâu sắc này ủng hộ lý thuyết rằng fullerene có thể được hình thành từ graphene khi các liên kết phân tử thích hợp bị cắt đứt.

Đặt tên có hệ thống [ sửa ]Sửa đổi

Theo IUPAC , để đặt tên cho fullerene, người ta phải trích dẫn số lượng nguyên tử thành viên cho các vòng bao gồm fullerene, nhóm điểm đối xứng của nó trong ký hiệu Schoenfly và tổng số nguyên tử. Ví dụ, buckminsterfullerene C 60 được đặt tên một cách có hệ thống ( C

60 -Tôih) [5,6] fullerene. Tên của nhóm điểm nên được giữ lại trong bất kỳ dẫn xuất nào của fullerene đã nói, ngay cả khi tính đối xứng đó bị mất bởi đạo hàm.

Để chỉ ra vị trí của các nguyên tố được thay thế hoặc gắn vào, các nguyên tử fullerene thường được đánh số theo con đường xoắn ốc, thường bắt đầu bằng vòng trên một trong các trục chính. Nếu cấu trúc của fullerene không cho phép đánh số như vậy, một nguyên tử bắt đầu khác đã được chọn để vẫn đạt được một chuỗi đường xoắn ốc.

Cái sau là trường hợp của C 70 , đó là ( C

70 -D5h (6)) [5,6] fullerene trong ký hiệu IUPAC. Đối xứngD5h (6)có nghĩa đây là đồng phân màtrụcC5đi qua một hình ngũ giác được bao quanh bởi các hình lục giác chứ không phải là hình ngũ giác. [46]

Trong danh pháp của IUPAC, các chất tương tự bão hòa đầy đủ của fullerene được gọi là fulleranes . Nếu lưới có (các) nguyên tố khác được thay thế cho một hoặc nhiều nguyên tử cacbon, hợp chất được đặt tên là heterofullerene . Nếu một liên kết đôi được thay thế bằng cầu metylenCHCH

2 -, cấu trúc thu được là một homofullerene . Nếu một nguyên tử bị xóa hoàn toàn và các hóa trị bị thiếu bão hòa với các nguyên tử hydro, thì đó là một norfullerene . Khi liên kết được loại bỏ (cả sigma và pi), hợp chất trở thành secofullerene ; nếu một số trái phiếu mới được thêm vào theo thứ tự độc đáo, thì đó là cyclofullerene . [46]

Sản xuất [ sửa ]Sửa đổi

Sản xuất Fullerene thường bắt đầu bằng cách sản xuất bồ hóng giàu fullerene. Phương pháp ban đầu (và vẫn là dòng điện) là gửi một dòng điện lớn giữa hai điện cực than chì gần đó trong một bầu không khí trơ . Hồ quang điện thu được làm bay hơi carbon thành plasma sau đó nguội đi thành cặn muội . [13] Ngoài ra, bồ hóng được sản xuất bằng cắt đốt bằng laser graphite hoặc nhiệt phân của aromatic hydrocarbons . [ cần dẫn nguồn ] Đốt cháy là quá trình hiệu quả nhất, được phát triển tại MIT . [65] [66]

Các quá trình này mang lại một hỗn hợp gồm nhiều fullerene và các dạng carbon khác. Các fullerene sau đó được chiết xuất từ ​​bồ hóng bằng dung môi hữu cơ thích hợp và được phân tách bằng sắc ký . [67] : p.369 Người ta có thể thu được số lượng miligam fullerene với 80 nguyên tử trở lên. C 76 , C 78 và C 84 có sẵn trên thị trường.

Ứng dụng [ sửa ]Sửa đổi

Fullerenes đã được sử dụng rộng rãi cho một số ứng dụng y sinh bao gồm thiết kế các chất tương phản MRI hiệu suất cao , chất tương phản hình ảnh tia X, liệu pháp quang động và cung cấp thuốc và gen, được tóm tắt trong một số đánh giá toàn diện. [68]

Nghiên cứu y học [ sửa ]Sửa đổi

Vào tháng 4 năm 2003, fullerene đã được nghiên cứu để sử dụng thuốc tiềm năng : liên kết kháng sinh đặc hiệu với cấu trúc để nhắm mục tiêu vi khuẩn kháng thuốc và thậm chí nhắm mục tiêu một số tế bào ung thư như khối u ác tính . Tạp chí Hóa học & Sinh học tháng 10 năm 2005 có một bài viết mô tả việc sử dụng fullerene như các chất chống vi trùng kích hoạt bằng ánh sáng . [69]

Nghiên cứu khối u [ sửa ]Sửa đổi

Trong khi nghiên cứu ung thư trong quá khứ có liên quan đến xạ trị, liệu pháp quang động rất quan trọng để nghiên cứu vì những đột phá trong điều trị cho các tế bào khối u sẽ mang lại nhiều lựa chọn hơn cho những bệnh nhân mắc các bệnh khác nhau. Các thí nghiệm gần đây sử dụng tế bào HeLa trong nghiên cứu ung thư liên quan đến việc phát triển các chất nhạy quang mới với khả năng được hấp thụ bởi các tế bào ung thư và vẫn gây ra chết tế bào. Điều quan trọng nữa là chất cảm quang mới không tồn tại trong cơ thể trong một thời gian dài để ngăn ngừa tổn thương tế bào không mong muốn. [70]

Fullerenes có thể được tạo ra để được hấp thụ bởi các tế bào HeLa. các C

60 dẫn xuất có thể được chuyển đến các tế bào bằng cách sử dụng các nhóm chứcL-phenylalanine,axit folicvàL-argininetrong số các nhóm khác. [71]

Chức năng hóa fullerene nhằm mục đích tăng khả năng hòa tan của phân tử bởi các tế bào ung thư. Các tế bào ung thư chiếm các phân tử này với tốc độ gia tăng do sự điều hòa các chất vận chuyển trong tế bào ung thư, trong trường hợp này, các chất vận chuyển axit amin sẽ mang lại các nhóm chức L-arginine và L-phenylalanine của fullerene. [72]

Sau khi được các tế bào hấp thụ, C

60 dẫn xuất sẽ phản ứng với bức xạ ánh sáng bằng cách biến oxy phân tử thành oxyphản ứng, gây raapoptosistrong các tế bào HeLa và các tế bào ung thư khác có thể hấp thụ phân tử fullerene. Nghiên cứu này cho thấy một chất phản ứng có thể nhắm mục tiêu các tế bào ung thư và sau đó được kích hoạt bởi bức xạ ánh sáng, giảm thiểu thiệt hại cho các mô xung quanh trong khi đang điều trị. [73]

Khi được hấp thụ bởi các tế bào ung thư và tiếp xúc với bức xạ ánh sáng, phản ứng tạo ra oxy phản ứng sẽ làm hỏng DNA, protein và lipid tạo nên tế bào ung thư. Tổn thương tế bào này buộc tế bào ung thư phải trải qua quá trình apoptosis, có thể dẫn đến việc giảm kích thước của khối u. Sau khi xử lý bức xạ ánh sáng kết thúc, fullerene sẽ tái hấp thu các gốc tự do để ngăn ngừa tổn thương của các mô khác. [74]Vì phương pháp điều trị này tập trung vào các tế bào ung thư, nó là một lựa chọn tốt cho những bệnh nhân có tế bào ung thư nằm trong tầm với của bức xạ ánh sáng. Khi nghiên cứu này tiếp tục, việc điều trị có thể xâm nhập sâu hơn vào cơ thể và được các tế bào ung thư hấp thụ hiệu quả hơn. [70]

An toàn và độc tính [ sửa ]Sửa đổi

Bài chi tiết: Nguy cơ về sức khỏe và an toàn của vật liệu nano và độc tính của vật liệu nano carbon

Lalwani et al. đã công bố một đánh giá toàn diện về độc tính fullerene vào năm 2013. [68] Các tác giả này xem xét các công trình về độc tính fullerene bắt đầu từ đầu những năm 1990 đến nay, và kết luận rằng rất ít bằng chứng thu thập được từ khi phát hiện ra fullerene cho thấy C

60 là độc hại. Độc tính của các hạt nano carbon này không chỉ phụ thuộc vào liều lượng và thời gian, mà còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác như:

  • loại (ví dụ: C 60 ,C 70 , M @C 60 , M @C 82
  • các nhóm chức được sử dụng để hòa tan các hạt nano này (ví dụ: OH, COOH)
  • phương pháp dùng thuốc (ví dụ: tiêm tĩnh mạch, tiêm màng bụng)

Do đó, các tác giả khuyên bạn nên đánh giá dược lý của mọi phức hợp dựa trên fullerene- hoặc metallicofullerene riêng lẻ như một hợp chất khác nhau.

Văn hóa đại chúng [ sửa ]Sửa đổi

Ví dụ về fullerene trong văn hóa đại chúng rất nhiều. Fullerenes xuất hiện trong tiểu thuyết tốt trước khi các nhà khoa học quan tâm nghiêm túc đến chúng. Trong một cột đầu cơ năm 1966 hài hước cho Nhà khoa học mới , David Jones cho rằng có thể tạo ra các phân tử carbon rỗng khổng lồ bằng cách làm biến dạng một mạng lục giác phẳng bằng cách thêm các nguyên tử tạp chất. [75]


 
Mô hình 3 chiều Buckminsterfullerene C60


Đọc thêmSửa đổi

Liên kết ngoàiSửa đổi