Фуллерены – молекулярные соединения, представляющие собой одну из форм аллотропных модификаций углерода в виде сферообразных полых кластеров, содержащих от 20 до нескольких сотен атомов углерода. Они относятся к классу наноразмерных углеродных частиц, среди которых наиболее стабильными считаются фуллерены С60 и С70.
Фуллерены были открыты в 1985 году и впервые получены дуговым методом в 1990 году. Открытие фуллеренов, часто называемых молекулярной формой углерода, привело к присуждению Нобелевской премии по химии Р. Керлу (США), Г. Крото (Англия) и Р. Смолли (США) в 1996 году. Слова Г. Крото из нобелевской лекции: «История открытия С60 не может быть правильно оценена без учёта красоты формы этой молекулы, которая обусловлена её невероятной симметрией. Всё это придаёт нашей элегантной молекуле харизму, которая очаровала учёных, привела в восторг обывателей, добавила энтузиазма молодым в их отношении к науке и, в частности, придала свежее дыхание химии».
Структура фуллеренов формируется из замкнутых углеродных каркасов, образованных чередующимися пяти- и шестиугольниками. Фуллерены являются акцепторами электронов в присутствии доноров, что обусловлено его высокой электродефицитностью. Одной из особенностей фуллеренов является их высокая реакционная способность. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами.
Основным типом химических превращений фуллеренов являются реакции по двойной связи – нуклеофильное и радикальное присоединение, циклоприсоединение. Такие реакции очень удобны для получения производных фуллерена. Большинство аддуктов, образующихся в результате этих процессов, имеют достаточную стабильность, что позволяет привлекать для создания новых веществ уже модифицированные продукты.
Сферы применения фуллеренов и модифицированных фуллеренами материалов очень разнообразны. Это, в первую очередь, медицина, металлургия, косметология, полимерное производство, а также в элементах для преобразования солнечной энергии, топливных элементах и еще целом ряде отраслей. Биологическая активность фуллерена обусловлена липофильностью (связывание с белками и липидами, мембранотропные свойства), электроноакцепторной активностью (взаимодействие со свободными радикалами и активными формами кислорода) и способностью к фотовозбуждению (образование синглетного кислорода). К свойствам фуллеренов можно отнести электронно-акцепторную активность, высокую поляризуемость молекул, наличие эквивалентных реакционных центров и гидрофобность. На текущий момент синтезированы сотни функциональных фуллеренов с широким спектром биологической активности: противоопухолевой, антивирусной, антимикробной, антиоксидантной, нейропротективной, фотодинамической, мембранотропной и т.д.
Введение небольшого количества фуллеренов в полимеры способно существенно изменить свойства модифицированного материала и позволяет получить функциональные материалы с улучшенными свойствами, что значительно расширяет сферы их применения. Увеличивается твердость материалов, прочность, модуль упругости, ударная вязкость, снижается коэффициент трения, увеличивается износо- и трещиностойкость, увеличиваются температуры плавления, размягчения и деструкции, повышается морозо- и светостойкость, химическая устойчивость, антистатические и антифрикционные свойства, уменьшается объемное и поверхностное удельное электрическое сопротивление и т.д. Полимеры с наночастицами фуллеренов используются для создания новых средств лечения вируса иммунодефицита человека, аллергических воспалений, способствуют борьбе с признаками старения кожи. Специфические физико-химические характеристики фуллеренсодержащих полимерных материалов обуславливают перспективность их применения в различных областях.
В качестве сырья для получения фуллеренсодержащей сажи используются графитовые электроды. В реакционной камере между двумя графитовыми электродами при силе тока от 300 до 500 А возникает электрическая дуга. В результате происходит образование паров углерода, которые выдуваются из высокотемпературной реакционной зоны потоком гелия с последующей самосборкой фуллереновых структур из углеродных кластеров. Содержание фуллеренов в фуллеренсодержащей саже в зависимости от условий проведения синтеза находится в диапазоне от 6 до 12 мас.%.
Производимая фуллеренсодержащая сажа содержит смесь различных фуллеренов: С60, С70, С76, С78, С80, С82, С84, С86 и др., среди которых основными являются С60 (CAS No.: 99685-96-8) и С70 (CAS No.: 115383-22-7). Содержание фуллеренов в фуллеренсодержащей саже определяется методом высокоэффективной жидкостной хроматографией с использованием хроматографических колонок Cosmosil Buckyprep, специально разработанных для разделения фуллеренов.
Из полученной фуллеренсодержащей сажи методом экстракции выделяется смесь фуллеренов. Затем осуществляется отгонка растворителя на роторном испарителе с кристаллизацией целевого продукта, содержащего смесь фуллеренов. Как правило, содержание С60 и С70 в фуллереновой смеси составляет 97-99%.
На текущий момент в ИрИХ СО РАН производится фуллеренсодержащая сажа по ТУ 20.13.21-002-03533719-2022 марок ФС-06, ФС-09, ФС-12, отличающихся между собой содержанием фуллеренов. Из фуллеренсодержащей сажи в соответствии с ТУ 20.13.21-003-03533719-2022 выделяется целевой продукт – смесь фуллеренов С60/С70, чистота не менее 97%.
Синтез и исследование фуллеренов и их функциональных производных является одним из актуальных направлений при разработке перспективных материалов в различных областях применения. Использование фуллеренов в настоящее время ограничено, что связано с их высокой стоимостью, которая обусловлена не только низким содержанием фуллеренов в фуллеренсодержащей саже, но и сложностью их разделения и очистки.
Запуск производства фуллеренсодержащей сажи в ИрИХ СО РАН расширяет возможности практического внедрения фуллеренов и выпуск на их основе наукоемкой продукции.
Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН заинтересован в развитии областей использования фуллеренсодержащей сажи и фуллеренов. С целью инициирования максимального интереса к производимой продукции ИрИХ СО РАН предоставляет на безвозмездной основе образцы фуллеренсодержащей сажи и смеси фуллеренов С60/С70.
ИрИХ СО РАН на постоянной основе проводит научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области синтеза и изучения свойств новых материалов. В структуре Института успешно работает Отдел прикладной химии, задачами которого является наработка опытных, укрупненных и опытно-промышленных партий синтезированных веществ.
Мы открыты к сотрудничеству по фундаментальным и прикладным исследованиям, направленным на практическое использование выпускаемой продукции в различных областях.
