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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Fullerene. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Fulleren, Buckyball oder Buckyball ist eine molekulare Verbindung, die zur Klasse der allotropen Kohlenstoffformen gehört und konvexe geschlossene Polyeder darstellt, die aus einer geraden Anzahl dreifach koordinierter Kohlenstoffatome bestehen. Fullerene verdanken ihren Namen dem Ingenieur und Architekten Richard Buckminster Fuller, dessen geodätische Strukturen auf diesem Prinzip basieren. Ursprünglich war diese Verbindungsklasse auf Strukturen beschränkt, die nur fünfeckige und sechseckige Flächen enthielten.
Die härteste Substanz in der Natur ist Diamant. Diese Kohlenstoffverbindung hat ein Kristallgitter in Form eines Tetraeders – einer Pyramide mit vier gleichen Dreiecksflächen. Seine Spitzen werden von vier Kohlenstoffatomen gebildet. Ein Dreieck ist eine sehr starre Figur, es kann zerbrochen, aber nicht verformt oder gestaucht werden. Deshalb ist die Stärke des Diamanten so hoch. In der Natur kennt man Kristalle mit einem Gitter, das nicht aus Atomen, sondern aus Molekülen besteht. Wenn die Moleküle groß genug sind und die Bindungen zwischen ihnen stark sind, dann ist das Kristallgitter extrem stark. Diese Bedingungen werden von Fullerenen vollständig erfüllt: Mit einem Durchmesser von mehr als 0,5 nm verbinden sie sich zu einem Kristall mit Zellen, die kleiner als 1,5 nm sind. Wie so oft war die Entdeckung von Fullerenen nicht das Ergebnis einer gezielten Suche. Die Hauptarbeitsrichtung im Labor von R. Smalley an der Rice University (Texas), wo in den 1980er Jahren eine Entdeckung gemacht wurde, bezog sich auf die Untersuchung der Struktur von Metallclustern. Die Technik solcher Untersuchungen basiert auf der Messung der Massenspektren von Partikeln, die durch die intensive Einwirkung von Laserstrahlung auf der Oberfläche des untersuchten Materials entstehen.
„Im August 1985 kam der berühmte Astrophysiker G. Kroto in Smalleys Labor“, schreibt Alexander Valentinovich Yeletsky im Soros Educational Journal, „der an dem Problem arbeitete, die Spektren der von einigen interstellaren Haufen emittierten Infrarotstrahlung zu identifizieren Lösungen für dieses Problem, das seit langem in der Astrophysik steht, könnten mit Kohlenstoffclustern in Verbindung gebracht werden, die, wie Sie wissen, die Grundlage interstellarer Cluster bilden. Der Zweck von Krotos Besuch in Texas war ein Versuch, die Ausrüstung von Smalleys Labor zu verwenden aus dem Massenspektrum von Kohlenstoffclustern einen Rückschluss auf ihre mögliche Struktur zu erhalten. Die Ergebnisse der Experimente führten zu einem Schockzustand seiner Teilnehmer. Während für die meisten der bisher untersuchten Cluster die typischen Werte der magischen Zahlen 13, 19, 55 usw. sind, wurden je nach gegenseitiger Anordnung der Atome deutlich ausgeprägte Peaks mit der Atomzahl von 60 und 70 beobachtet Das Massenspektrum von Kohlenstoffclustern Das einzige konsistente Dieses Merkmal von Kohlenstoffclustern wurde durch die Hypothese erklärt, dass Kohlenstoffatome stabile geschlossene kugelförmige und kugelige Strukturen bilden, die später Fullerene genannt werden. Diese Hypothese, die später durch detailliertere Studien bestätigt wurde, bildete im Wesentlichen die Grundlage für die Entdeckung der Fullerene. Die Veröffentlichung der ersten Beobachtungen von Fullerenen wurde 20 Tage nach Krotos Ankunft in Texas an die Zeitschrift „Nature“ verschickt. In diesem Artikel gab es neben der Annahme der Kugelform von Fullerenen Ideen über die Möglichkeit der Existenz von endohedralen Fullerenmolekülen, dh Molekülen, die ein oder mehrere Atome eines anderen Elements enthalten. Weitere Untersuchungen bestätigten diese Annahme. Der Abstand zwischen Molekülen in solchen Kristallen ist geringer als der Abstand zwischen Atomen im Diamantgitter. Darüber hinaus gibt es in beiden Zelltypen ein "spezielles" Fulleren, das mit dem Rest durch 12-16 sehr kurze und starke intermolekulare Bindungen interagiert. All dies bestimmt die außergewöhnliche Härte von kristallinem Fullerit: Sie ist zwei- bis dreimal höher als die Härte von Diamant. Für die Entdeckung der Fullerene wurden G. Kroto, R. Smalley und R. Curl mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Der eigentliche Boom der Fullerenforschung begann 1990. Dies geschah, nachdem der deutsche Astrophysiker W. Kretschmer und der amerikanische Forscher D. Huffman eine Technologie entwickelt hatten, um Fullerene in ausreichender Menge zu gewinnen. Die Technologie basiert auf dem thermischen Spritzen eines Lichtbogens mit Graphitelektroden und anschließender Extraktion von Fullerenen aus Spritzprodukten mit organischen Lösungsmitteln wie Benzol, Toluol. Die neue Technologie hat es zahlreichen wissenschaftlichen Labors ermöglicht, Fullerene nicht nur in molekularer Form, sondern auch im kristallinen Zustand zu untersuchen. Als Ergebnis wurden neue Entdeckungen gemacht. So entdeckten amerikanische Wissenschaftler 1991 die Supraleitung von mit Alkalimetallatomen dotierten Fullerenkristallen mit einer kritischen Temperatur von 18 bis 40 Grad Kelvin, je nach Art des Alkalimetalls. Und bis heute ist die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Fullerene einer der vorrangigen Bereiche der Weltwissenschaft und -technologie. Diese Popularität ist mit den erstaunlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Fullerenen verbunden, die die Möglichkeit ihrer Anwendung eröffnen. Fullerenmoleküle haben eine hohe Elektronegativität. Sie können bis zu sechs freie Elektronen an sich binden. Dies macht Fullerene zu starken Oxidationsmitteln. Sie sind in der Lage, viele neue chemische Verbindungen mit neuen interessanten Eigenschaften zu bilden. Die chemischen Verbindungen von Fullerenen umfassen sechsgliedrige Kohlenstoffringe mit Einfach- und Doppelbindungen. Daher können sie als dreidimensionales Analogon aromatischer Verbindungen betrachtet werden. Fullerenkristalle sind Halbleiter mit einer Bandlücke von 1-2 eV. Sie zeigen Photoleitfähigkeit, wenn sie mit sichtbarem Licht bestrahlt werden. „Das Spektrum möglicher technologischer Anwendungen von Fullerenen ist groß“, schreibt Ezersky, „so reduziert die Verwendung von Fullerenen als Schmierölzusatz den Reibungskoeffizienten von Metalloberflächen erheblich (bis zum 10-fachen) und erhöht dementsprechend den Verschleiß Widerstand von Teilen und Baugruppen Andere Möglichkeiten für Massenanwendungen von Fullerenen werden ebenfalls aktiv entwickelt, insbesondere verbunden mit der Schaffung eines neuen Typs von wiederaufladbaren Batterien, die im Gegensatz zu herkömmlich verwendeten Batterien auf Lithiumbasis keiner Zerstörung unterliegen von Elektroden. Das Problem der Verwendung von Fullerenen in Medizin und Pharmakologie verdient besondere Aufmerksamkeit. Eine der Hauptschwierigkeiten, die einer erfolgreichen Lösung dieses Problems im Wege stehen, ist mit der Schaffung von wasserlöslichen, nicht toxischen Fullerenverbindungen verbunden, die in den menschlichen Körper eingeführt und mit Blut an das Organ abgegeben werden könnten, das einer therapeutischen Behandlung unterzogen wird. Die Idee, Krebsmedikamente auf der Grundlage wasserlöslicher endohedraler Fullerenverbindungen (Fullerenmoleküle, die ein oder mehrere Atome eines Elements enthalten) mit radioaktiven Isotopen, die in die Fullerenstruktur eingebettet sind, herzustellen, wird in der Literatur vielfach diskutiert. Die Einführung eines solchen Medikaments in das Gewebe ermöglicht es, die vom Tumor betroffenen Zellen selektiv zu beeinflussen und ihre weitere Reproduktion zu verhindern. Autor: Musskiy S.A.
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