Лабораторное производство фуллеренов
Здравствуйте, раскажите пожалуйста о способах фильтрации и различные схемы по лабораторному производству фуллеренов?
Фуллерены - особая форма углерода, которая вначале была открыта в научных лабораториях при попытке моделировать процессы, происходящие в космосе, а позднее обнаружена в земной коре.
Впервые о земном существовании уникального вещества научный мир узнал после того, как один из бывших советских ученых исследовал в Аризонском университете (США) образцы карельских шунгитов, и, к удивлению, обнаружил там углеродные глобулы с фуллеренами. После этого и начался интенсивный поиск других пород, содержащих фуллерены, возникли вопросы об их происхождении на Земле.
Позднее земные фуллерены были найдены в Канаде, Австралии и в Мексике - и в каждой из этих стран они были обнаружены на местах падения метеоритов. При этом некоторые фуллерены были заполнены: внутри оболочек находились атомы гелия. Странным оказался тот факт, что фуллерены хранили не гелий-4 - изотоп, который обычно присутствует в земных породах, - а редкий для Земли изотоп гелий-3.
По мнению ученых такие фуллерены могли образоваться только в космических условиях, в так называемых углеродных звездах или в ближайшем их окружении (рис. 1). Удалось определить время появления исследованных фуллеренов на Земле. Кратер от падения канадского метеорита образовался около двух миллиардов лет назад, в архейскую эру, когда Земля еще была безжизненна. Другие фуллерены были обнаружены на границе отложений пермского и триасового периодов, их возраст оценен в 250 млн. лет. Именно тогда в Землю врезался гигантский астероид, вызвавший катастрофические разрушения.
Загадка фуллеренов заключается в том, что до недавнего времени считалось, что углерод имеет только три формы существования - алмаз, графит и карбит. Эти вещества отличаются своим строением. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Такая структура определяет свойства алмаза как самого твердого вещества, известного на Земле.
Атомы углерода в кристаллической структуре графита формируют правильные пяти-и шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, прочную и стабильную сетку, похожую на пчелиные соты. Сетки располагаются друг над другом слоями, которые слабо связаны между собой. Такая структура определяет специфические свойства графита: низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки.
Молекула фуллерена представляет сферическую поверхность, которая образована из шестиугольников и пятиугольников, покрывающих поверхность формирующейся графитовой сферы или эллипсоида и составляют замкнутые многогранники, состоящие из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода, находящихся в состоянии sp2 –гибридизации. Природой задана четкая последовательность этого соединения - каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой ковалентной С-С связью, длина которой в пятиугольнике - 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм. Молекулы фуллеренов могут содержать 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70 и т.д. атомов углерода (рис. 2). Фуллерены с количеством углеродных атомов n<60 являются неустойчивыми. Высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (n<400), образуются в незначительных количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав.
Благодаря своему шарообразному строению фуллерены оказались идеальной смазкой. Они катаются, словно шарики размером с молекулу между трущимися поверхностями. Комбинируя внутри углеродных шаров разные атомы и молекулы, можно создавать самые фантастические материалы будущего.
Фуллерены могут использоваться в нанотехнологии, медицине, ракетном строительстве, в военных целях, электронике, оптикоэлектронике, машинном производстве, в производстве технической продукции, компьютеров и др., и во всех случаях рабочие параметры оборудования значительно улучшаются, качество повышается, технологии становятся более эффективными и простыми. Например, американские исследователи учёные разработали технологию, которая позволяет на любую поверхность нанести тончайшие элементы солнечных батарей - они представляют собой многослойную полимерную пленку, содержащую все те же фуллерены. Такие элементы обладают пока примерно в четыре раза более низким коэффициентом полезного действия, чем традиционные батареи на основе кремния, но они значительно проще и дешевле в производстве. Возможно, уже в ближайшем будущем промышленность начнет выпускать солнечные батареи рулонами - как обои. В одном из университетов Швеции в ходе опытов с фуллеренами неожиданно для самих ученых был получен слоеный материал, напоминающий фольгу, проложенную тонкими слоями бумаги. Прозрачный и гибкий материал оказался магнитом и сохранял свои свойства даже при температуре свыше 200 градусов. Его вполне возможно использовать для создания компьютерной памяти с помощью записи лазерным лучом. Благодаря этому достигается очень высокая плотность носителя информации.
Большие надежды связаны с применением фуллеренов в медицине. Почти идеальная сферическая структура молекулы фуллерена и микроскопический размер (диаметр 0.7 нм), позволяют ученым рассчитывать на то, что эти молекулы смогут создать механическое препятствие для проникновения вирусов в клетки зараженного организма. Обсуждается также и идея создания противораковых препаратов на основе водорастворимых соединений фуллеренов с внедренными внутрь радиоактивными изотопами. Введение такого лекарства в ткань позволит избирательно воздействовать на пораженные опухолью клетки, препятствуя их дальнейшему размножению. Пока основное препятствие на пути разработок связано с нерастворимостью молекул фуллеренов в воде, затрудняющей их прямое введение в организм.
Другим препятствием использования искусственно синтезированных фуллеренов является их высокая стоимость, которая варьирует от 100 до 900 долларов за грамм, в зависимости от их качества и степени чистоты. Поэтому перспективным направлением науки и техники является поиск новых природных фуллерен-содержащих минералов, каким является отечественный шунгит.
Уникальные свойства шунгита определяются структурой и составом образующих его элементов. Шунгитовый углерод образует в породе матрицу, в которой равномерно распределены высокодисперстные силикаты со средним размером около 1 мкм. (рис. 3).
Рис. 3. Структура шунгитовой породы (Юшкин Н. П., 1994)
Основу шунгитного углерода представляет многослойная фуллереноподобная глобула, диаметром 10-30 нм (рис. 4). Фуллерены впервые были открыты в 1985 году при лазерном облучении твёрдого графита. Позже фуллерено-подобные структуры были обнаружены не только в графите, но и в образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах саже, а также в природном минерале шунгите (0,001 масс. %). Кристалл, образованный молекулами фуллеренов (фуллерит) является молекулярным кристаллом; переходной формой между органическим и неорганическим веществом. Плотность фуллерита составляет 1,7 г/см3, что несколько меньше плотности и шунгита (2,1 -2,4 г/см3) и графита (2,3 г/см 3).
Рис. 4. Нанодифракционная микрофотография шунгитового углерода (зонд 0,3 - 0,7 нм.) (Юшкин Н. П., 1994)
Наличие в шунгите фуллерено-подобных молекул открывает перспективы его дальнейшего использования в различных отраслях промышленности. Лимитирующим фактором при этом остаётся чрезвычайно низкий процент содержания фуллеренов в шунгите (до 0.001 масс. %). Шунгит, благодаря своей структуре и многокомпонентным составом образующих его элементов обладает высокой активностью в окислительно-восстановительных процессах, широким спектром сорбционных и каталитических свойств. Это позволяет эффективно использовать этот минерал в различных окислительно-восстановительных процессах: в т.ч. в металлургии, в доменном производстве литейных высококремнистых чугунов (1 тонна шунгита заменяет 1,3 тонны кокса), в производстве ферросплавов, в производстве фосфора, в производстве карбида и нитрида кремния и др.
Сорбционные, каталитические и восстановительные свойства шунгитовых пород позволяют успешно очищать сточные воды от многих органических и неорганических веществ (нефтепродуктов, пестицидов, фенолов, поверхностно-активных веществ и др.). Кроме этого, шунгит является самым эффективным веществом для очистки водопроводной воды от хлорорганических веществ (диоксинов, радикалов), обладает бактерицидными свойствами.
Механизм взаимодействия шунгита с водой окончательно не изучен. Предполагается, что шунгит способен поглощать кислород, активно взаимодействуя с ним как сильный восстановитель в воде и на воздухе. В этом процессе образуется атомарный кислород, являющийся сильнейшим окислителем и окисляющий адсорбированные на шунгите органические вещества до CO2 и H2O, освобождая поверхность шунгита для новых актов адсорбции. Длительное воздействие шунгита по отношению к растворенным в воде металлам объясняется тем, что металлы переводятся шунгитом в форму нерастворимых карбонатов, за счёт процесса окисления органических веществ до CO2
Таким образом, шунгит может рассматриваться как альтернативный активированному углю отечественный природный фуллеренсодержащий минеральный сорбент, с помощью которого можно просто и экономично решить проблему водоснабжения и водоочистки во многих проблемных регионах; в очистке городских, бытовых, промышленных сточных вод от нефти и нефте-продуктов, хлорорганических соединений и тяжёлых металлов, в подготовке воды ТЭЦ, бассейнов, колодцев, в обеззараживании воды и др. Большим преимуществом, открывающим широкие перспективы использования шунгита является то, что шунгит – природный экологически чистый материал с широким спектром полезных свойств. Запасы отечественного шунгита достаточно велики (35 млн. тонн), уровень добычи шунгита – 120 тыс. т. в год, а стоимость его существенно ниже по сравнению с аналогичными сорбентами, что способствует поиску и выработке новых путей дальнейшего использования этого ценного отечественного природного минерала в водоподготовке и водоочистке. При этом положительными моментами использования шунгита является экологичность, наличие обширной отечественной сырьевой базы, высокая эффективность устранения загрязнений воды различной природы, кондиционирование воды (обогащение полезными элементами), невысокая стоимость фильтрующих устройств и технологий, использующих шунгит по сравнению
К.х.н. О.В. Мосин