풀러렌: 발견 및 속성의 역사. 풀러렌, 그 생산, 특성 및 응용 생물학자들은 가설을 확인합니다
풀러렌
소개
§1 풀러렌 - 탄소의 동소체 변형
1.1 풀러렌 발견의 역사
1.2 풀러렌의 기하학적 구조
1.3 풀러렌의 성질
1.4 자연의 풀러렌
1.5 풀러렌 얻기
1.6 풀러렌의 적용
§2 다각형과 다면체
2.1 다각형
2.2 정오각형
2.3 정오각형을 구성하는 방법
2.4 다면체의 정의와 다면체의 종류
2.5 플라톤 입체
2.6 오일러의 정리
2.7 알렉산드로프의 정리
2.8 이중성
§3 고립오각형(오각형)의 법칙
결론
문학
다면체 원자 탄소 풀러렌
소개
에세이 작성을 위해 이 주제를 선택하는 몇 가지 이유를 지정할 수 있습니다.
첫째, 기하학 수업에서 우리는 다면체-추상 수학적 인물에 대해 알게되었습니다. 다면체를 연구할 때 우리는 그러한 물체가 자연에서 어떻게 나타나는지에 관심을 갖게 되었습니다. 둘째, 화학 수업에서 탄소 동소 현상을 연구하는 동안 우리는 풀러렌이라는 특이한 분자에 대해 간략하게 알게되었습니다.
풀러렌은 화학 세계에서 상당히 새로운 개념입니다. 그들은 매우 흥미롭고 풀러렌의 특성은 풀러렌 분자의 구조 측면에서 매우 다양합니다. 다면체입니다. 문헌의 예비 분석에 따르면 풀러렌의 특성과 구조에 대한 자료는 많지 않고 매우 흩어져 있습니다. 따라서 작업의 수학적 부분과 작업의 화학적 부분 모두와 관련된 많은 자료를 분석해야 했습니다.
목적:
풀러렌 분자의 예를 사용하여 다면체의 특성이 어떻게 나타나는지 알아보십시오.
작업:
1) 풀러렌을 정의합니다.
2) 풀러렌의 구조와 특성을 간략하게 설명합니다.
3) 다각형과 다면체를 정의합니다.
4) 다각형과 다면체의 유형을 결정합니다.
5) 풀러렌 분자의 예에서 어떤 유형의 다면체가 나타나는지 고려하십시오.
6) 풀러렌의 안정성이 기하학적 구조와 어떻게 관련되는지 고려하십시오.
§1 풀러렌 - 탄소의 동소체 변형
현재 "풀러렌"의 개념은 n = 60인 다원자 탄소 분자 Cn의 광범위한 클래스에 적용됩니다. 이러한 분자에 의해 형성된 고체는 일반적으로 풀러라이트라고 합니다. 풀러렌은 탄소의 세 번째 동소체 형태입니다(처음 두 개는 다이아몬드와 흑연입니다). 풀러렌 분자는 유기 분자이며 풀러렌 자체는 분자 결정체로 유기물과 무기물을 연결합니다.
1.1 풀러렌 발견의 역사
1973년 러시아 과학자 D. A. Bochvar와 E. N. Galpern은 양자 화학 계산 결과를 발표했으며, 그 결과 분자에 60개의 탄소 원자를 포함하고 치환기가 없는 안정적인 형태의 탄소가 있어야 한다는 결론이 나왔습니다. 같은 기사에서 그러한 가상 분자의 형태가 제안되었습니다. 이 작업의 결론은 당시에 절대적으로 환상적이었습니다. 아무도 그런 분자가 존재할 수 있다고 상상할 수 없었고, 더 나아가 어떻게 생산할 것인지 상상할 수 없었습니다. 이 이론적인 작업은 다소 시대를 앞서갔고 처음에는 단순히 잊혀졌습니다.
1980년대에 천체 물리학 연구를 통해 소위 "적색 거성"이라고 불리는 일부 별의 스펙트럼에서 다양한 크기의 순수한 탄소 분자가 존재함을 나타내는 띠가 발견되었다는 사실을 확인할 수 있었습니다.
1985년 G. Kroto. 그리고 R. Smalley는 이미 "지구적" 조건에서 연구를 수행하기 시작했습니다. 그들은 탄소 원자의 큰 집합체(C 60 및 C 70)의 존재를 나타내는 연구를 수행했습니다. 그 결과 오각형과 육각형이 결합된 다면체의 구조가 제안되었다. 12년 전 Bochvar가 제안한 구조를 정확히 반복한 것입니다.
"풀러렌"이라는 이름은 5각형과 육각형의 조합으로 투각 돔형 구조를 만들 것을 제안한 유명한 미국 건축가 Buckminster Fuller를 기리기 위해 주어졌습니다(그림 2 및 3). 얼핏 보기에는 삼각형으로 조립된 구조로 보이지만 5, 6빔 중심의 교대는 풀러렌 구조에 딱 해당한다.
1.2 풀러렌의 기하학적 구조
가장 일반적인 형태에서 풀러렌 분자는 육각형(육각형)과 오각형(오각형)의 두 가지 유형의 다각형으로 구성된 다면체입니다. 모든 다각형의 꼭짓점은 탄소 원자입니다. 다각형으로 구성된 다면체의 표면은 오일러 공식을 따릅니다.
따라서 풀러렌은 12개의 오각형과 임의의 수의 육각형을 포함해야 합니다. 실제로 얻거나 시뮬레이션한 모든 풀러렌에는 12개의 "필수" 오각형이 있습니다. 육각형의 수에 따라 구형 분자의 구성이 다를 수 있습니다. 가장 단순한 풀러렌은 이론적으로 공식 C 20을 가지며 12개의 오각형으로만 구성되어 정다면체인 12면체를 형성합니다(그림 4). 그러나 이러한 분자의 불안정성으로 인해 풀러렌-20을 분리하는 것은 거의 불가능했습니다.
풀러렌의 구조에 대한 기존의 견해에 따르면 12개의 "필수" 오각형이 육각형으로 분리되고 공통 정점이나 모서리가 없는 풀러렌만이 안정할 수 있습니다. 가장 많이 연구된 풀러렌 C 60은 잘린 정이십면체 모양을 갖고 있으며 축구공과 외형이 비슷하기 때문에 축구 풀러렌이라고 더 자주 불립니다(그림 5). C 60 분자는 32개의 면(오각형 12개와 육각형 20개)을 가지고 있습니다.
더 높은 풀러렌(예: C 78 또는 C 80)은 오각형과 육각형에 의해 표면의 "레이아웃"의 다른 순서를 허용하면서 오각형의 총 수와 격리 원칙, 즉 오각형을 유지합니다. 이성질체가 있습니다.
1.3 풀러렌의 성질
풀러렌은 분자 결정인 풀러라이트를 형성합니다. 그들의 구조와 물리화학적 특성은 잘 연구되어 있습니다. 결정 격자 C 60은 면심 입방체이며 각 분자에는 12개의 "이웃"이 있으며 분자는 약하게 연결되어 있습니다. 이러한 분자 격자는 승화 온도가 낮고(800°C) C 60 분자가 증기로 통과합니다. 1500K의 온도까지 기체 상태에서 완벽하게 "살아있는" 것
Fullerite C60은 겨자색 고체입니다. C70은 적갈색 고체입니다.
풀러라이트는 유기 용매에 용해됩니다. 가장 잘 알려진 용매는 풀러라이트 용해도가 감소하는 순서로 정렬할 수 있습니다: 이황화탄소, 톨루엔, 벤젠, 사염화탄소, 데칸, 헥산, 펜탄.
C 60 샘플은 산소가 없는 상태에서 자외선에 민감하여 분해 반응을 일으킬 수 있습니다. 따라서 어두운 곳에서 진공 또는 질소 상태에서 보관해야 합니다.
상온에서 순수한 풀러렌은 절연체 또는 전도성이 매우 낮은 반도체입니다.
A 3 C 60 조성의 알칼리 금속 풀러라이드는 특정 값 이하의 온도에서 초전도체가 됩니다.
풀러렌은 자기 특성이 다릅니다.
결정질 풀렌은 광전도성을 가지고 있습니다. 가시광선을 조사하면 풀러라이트 결정의 전기 저항이 감소합니다. 광전도성은 순수한 풀러라이트뿐만 아니라 다양한 혼합물에 의해서도 소유됩니다.
풀러렌과 관련된 공정에 대한 연구 결과는 풀러렌의 비정상적으로 높은 안정성을 나타냅니다. 또한 탄소 원자 값이 짝수인 분자의 안정성 N홀수 값을 가진 분자의 안정성을 크게 초과합니다. N. C 분자의 경우 N (N-홀수) 가장 가능성 있는 것은 탄소 원자의 제거입니다. N 1%를 초과하지 않습니다. 실험에 따르면 고체 C60 풀러렌은 분해 없이 400°C에서 승화됩니다.
풀러렌 분자는 전기 음성도가 높으며 최대 6개의 자유 전자를 자신에게 부착할 수 있습니다. 이것은 흥미로운 새로운 특성을 가진 많은 새로운 화합물을 형성할 수 있는 강력한 산화제입니다. 풀러렌의 이러한 특성은 C 60 수소화가 수행된 화학적 변형에 대한 첫 번째 실험 중 하나에서 이미 발견되었습니다. 이 반응의 생성물은 C 60 H 36 분자였다.
풀러렌은 단순 물질로 분해되는 과정에 대해 화학적으로 매우 비활성입니다. C 60 분자는 최대 1700K의 불활성 분위기에서 안정적으로 유지됩니다. 그러나 산소가 있는 경우 훨씬 낮은 온도(약 500K)에서 산화가 관찰됩니다. 이 경우 C 60 분자당 12개의 산소 원자가 있는 비정질 구조가 형성됩니다. 온도의 증가는 C 60 분자의 모양 손실을 동반합니다.
1.4 자연의 풀러렌
풀러렌의 발견은 또한 탄소질 암석에서 풀러렌 구조에 대한 탐색으로 이어졌습니다.
풀러렌은 자연에서 발견되었습니다. 비슷한 놀라운 발견이 지구화학자들에 의해 이루어졌습니다. 그들은 18억 5천만년 전 운석 충돌로 형성된 사드부리 분화구의 퇴적물에서 수집된 샘플에서 풀러렌의 존재를 발견했습니다. 병행 및 독립적인 연구에서 풀러렌은 뉴질랜드의 백악기-제3기 경계 샘플에서도 발견되었습니다. 퇴적물에 풀러렌이 존재한다는 사실은 약 6500만 년 전 거대한 운석의 영향으로 지구에서 강력한 화재가 발생하여 그러한 구조의 형성에 기여했다는 사실로 설명됩니다.
슌가이트 암석은 약 20억 년 전에 형성된 것으로 알려져 있으며, 비결정질 탄소, 미량원소, 광물, 소량의 유기물 및 물을 함유하고 있는 것으로 알려져 있다. shungite 암석의 주요 특성을 결정하는 탄소 함량은 1~70% 범위이지만 일부 지역에서는 98%에 도달할 수 있습니다. 전자 현미경 연구에 따르면 모든 샘플은 10nm 크기의 탄소 소구라는 하나의 주요 구조 요소로 특징 지어지며 그 안에 공극이 존재합니다. Shungite 탄소(SHC)와 풀러렌의 흑연과 같은 층의 왜곡 유사성도 확인되었습니다. 이러한 데이터를 기반으로 저자는 SHU에 대한 풀러렌 유사 구조를 제안했습니다. 수행된 실험은 0.0001%의 양으로 C 60 및 C 70 풀러렌의 존재를 보여주었습니다. 이를 기반으로 shungite 탄소의 풀러렌 모델이 제안되었습니다.
1.5 풀러렌 얻기
풀러렌의 구조는 흑연의 구조에 가깝기 때문에 이를 얻는 가장 효율적인 방법은 흑연 전극의 옴 가열 또는 레이저 조사의 결과로 흑연의 열 증발을 기반으로 하는 것입니다. 흑연을 적당히 가열하면 개별 층 사이의 결합이 파괴되고 육각형 구성을 포함하는 조각에서 풀러렌이 조립됩니다. 생성된 석탄 응축물은 C-60 및 C-70 클러스터와 함께 많은 수의 더 작은 분자를 포함하며, 그 중 상당 부분은 500-600°C에서 몇 시간 동안 유지될 때 C 60 및 C 70으로 전달됩니다. 비극성 용매에서 더 낮은 온도.
탄소 함유 물질의 열분해 공정인 풀러렌을 얻기 위한 상기 방법 외에도 콜타르로부터 풀러렌을 합성하는 촉매 방법이 개발되었다. 이 방법의 특징은 200-400 ° C의 낮은 공정 온도입니다. 이것은 흑연의 열분해 온도 (3300 ° C)보다 10 배 낮은 수준입니다.
1.6 풀러렌의 적용
초고 정보 밀도를 가진 메모리 매체를 만들기 위한 기반으로 풀러렌을 사용할 가능성이 있습니다. 정보매체로 5nm 거리의 하드디스크 표면에 위치한 풀러렌 자기디스크를 사용한다면. 기록 밀도는 4 * 10 12 비트 / cm 값에 도달합니다. 2. 배터리 생산의 기초로 풀러렌을 사용하는 제안이 있습니다. 광검출기 및 광전자 장치, 의약품 및 초전도 재료의 생성에 적용하는 문제에 대해 논의합니다. 다결정 풀러라이트로부터 다이아몬드를 얻는 알려진 방법.
§2 다각형과 다면체
2.1 다각형
다각형- 닫힌 파선으로 둘러싸인 평면의 기하학적 그림; 임의의 점 A 1, A 2, ..., A n을 n개 취하여 각각 다음 점과 연결하고 마지막 점을 첫 번째 점과 직선 선분으로 연결하면 얻어지는 선.
다각형에는 두 가지 유형이 있습니다. 볼록 및 비 볼록. 볼록 다각형에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 호출된 다각형 볼록한무한정 확장되는 다각형의 측면이 없으면 다각형을 두 부분으로 자릅니다. 볼록 다각형은 규칙적이고 불규칙하지만 올바른 다각형을 고려할 것입니다. 볼록 다각형~라고 불리는 오른쪽모든 변이 같고 모든 각도가 같다면. 정다각형의 중심은 모든 꼭짓점과 모든 변에서 같은 거리에 있는 점입니다.
정다각형의 중심각은 중심에서 변이 보이는 각도입니다. 정다각형 속성:
1) 정다각형은 원에 내접하고 원에 대해 외접하는 동안 이러한 원의 중심이 일치합니다.
2) 정다각형의 중심은 내접원 및 외접원의 중심과 일치합니다.
3) 오른쪽 N-gon은 반경과 관련이 있습니다. 아르 자형외접원 공식;
4) 정확한 둘레 N-gon은 외접원의 반지름으로 관련됩니다.
5) 정 n각형의 대각선은 각을 같은 부분으로 나눕니다.
2.2 정오각형
일반 오각형 - 오각형에 대해 더 자세히 설명하겠습니다.
기본 비율: 오각형 꼭짓점의 각도는 108°, 외부 각도는 72°입니다. 오각형의 변은 내접원과 외접원의 반지름으로 표현됩니다.
정오각형을 만들어 봅시다. 이것은 외접 원으로 쉽게 할 수 있습니다. 중심에서 72 °와 같은 원 중심의 꼭짓점이있는 각도를 연속적으로 따로 설정해야합니다. 모서리의 측면은 다섯 점에서 원과 교차하여 직렬로 연결하면 정오각형을 얻습니다. 이제 이 오각형의 모든 대각선을 그려봅시다. 그들은 규칙적인 별 모양의 오각형을 형성합니다. 유명한 펜타그램. 흥미롭게도, 교차하는 오각형의 측면은 다시 정오각형을 형성하며, 여기서 대각선의 교차점은 우리에게 새로운 오각형을 제공하는 등 무한대로 계속됩니다(그림 6 참조).
오각형은 볼록하지 않은 정오각형이며, 정오각형 또는 정오각형이기도 합니다. 많은 꽃, 불가사리, 고슴도치, 바이러스 등은 오각별 모양을 가지고 있습니다. 오각형의 첫 번째 언급은 고대 그리스를 나타냅니다. 그리스어로 번역된 오각형은 문자 그대로 다섯 줄을 의미합니다. 오각형은 피타고라스 학파(기원전 580-500년)의 특징이었습니다. 그들은 이 아름다운 다각형이 많은 신비한 속성을 가지고 있다고 믿었습니다. 오각형에 대한 경건한 태도는 피타고라스 학파에서 많은 것을 빌린 중세 신비주의의 특징이기도했습니다. 중세 시대에는 오각형이 사탄의 안전 표지 역할을 한다고 믿었습니다.
2.3 정오각형을 구성하는 방법
정오각형의 대략적인 구조가 흥미롭습니다. A. Durer는 나침반의 해가 변하지 않는 조건에서 수행되어 구성의 정확도를 높입니다(그림 7).
Durer는 "그러나 나침반의 불변 해로 만든 오각형은 이렇게 하십시오. 두 개의 원을 그려서 각각이 다른 원의 중심을 지나도록 그립니다. 두 개의 중심 A와 B를 연결하십시오. 이것은 오각형의 측면이 될 것입니다.원의 교차점은 위에서 C, 아래에서 D를 표시하고 직선 CD를 그립니다. 그런 다음 변경되지 않은 솔루션으로 나침반을 가져 와서 하나를 설정하십시오. 점 D에서 다리의 다른 쪽을 중심 A와 B를 통해 두 원과 교차할 때까지 그립니다. E와 F의 교차점을 지정하고 선 CD와의 교차점을 G로 표시합니다. 이제 직선을 그립니다. 원선과 교차할 때까지 E와 G를 통과하여 이 점을 H로 표시한 다음 원선과 교차할 때까지 F와 G를 통해 또 다른 선을 그리고 여기에 J를 넣습니다. J,A와 H,B를 직선으로 연결하고, 우리는 오각형의 세 변을 얻습니다. 이 길이의 두 변이 점 J와 H에서 점 K에 도달할 가능성이 주어지면 오각형을 얻습니다."
w를 중심이 O인 반지름 R의 주어진 원이라고 하자. 먼저 원 w에 내접하는 정십각형을 구성합시다. 이를 위해 우리는 원 w의 서로 수직인 반지름 OA1과 OB를 그리고 지름에 따라 중심 C가 있는 원을 구성하는 선분 OB를 그립니다. 선분 A1C는 어떤 점 D에서 이 원과 교차합니다. 다음으로 점 A2를 표시하고, A1A2= A2A3=…이 되도록 원 w의 A3, ..., A10.
A9A10 = A1D. 십각형 A1A2 ... A10이 원하는 것입니다. 정오각형을 만들려면 이 십각형의 점을 하나를 통해 연결해야 합니다. 즉, A1, A3, A5, A7, A9 점을 연결합니다. 오각형 A1A3A5A7A9가 원하는 것입니다.
교차하는 오각형의 측면은 서로를 세그먼트로 나누고 그 길이는 황금 비율을 형성합니다.
2.4 다면체의 정의와 다면체의 종류
앞에서 언급했듯이 풀러렌 분자는 다면체입니다. 이 개념을 더 자세히 살펴보겠습니다.
어떤 도형을 정다면체라고 합니까? 기하학 과정에서 다음과 같은 정의가 제공됩니다. 면의 변을 다면체의 모서리라고 하고 모서리의 끝을 다면체의 꼭짓점이라고 합니다.
정다면체의 이름은 고대 그리스에서 왔습니다. 그리스어에서 문자 그대로 번역하면 사면체, 육각형, 팔면체, 십이면체 및 이십면체를 의미합니다(그림 10).
2.5 플라톤 입체
정다면체는 플라톤의 다면체라고 불리는데, 그 이유는 그가 그의 과학 논문에서 처음으로 언급했기 때문입니다.
플라톤(그림 11)은 세상이 불, 흙, 공기, 물의 4가지 "원소"로 구성되어 있다고 믿었으며 이러한 "원소"의 모양은 4개의 정다면체 형태를 띠고 있습니다. 그래서, 사면체는 불을 의인화했습니다. 그 꼭대기가 타오르는 불꽃처럼 위쪽을 향하기 때문입니다. 정이십면체 - 가장 유선형 - 물; 큐브 - 가장 안정적인 인물 - 지구, 팔면체 - 디자인에서 가장 "바람이 잘 통하는"- 공기. 다섯 번째 다면체인 12면체는 '존재하는 모든 것'을 구현한 것으로 온 세상과 하늘을 상징하며 가장 중요한 것으로 숭배되었다.
정다면체는 모든 면이 동일한 정다각형이고 각 꼭짓점에 같은 수의 모서리가 수렴되는 다면체입니다.
나는 면이 정삼각형인 정다면체로 고찰을 시작할 것이다. . 첫 번째는 사면체입니다. 사면체에서 세 개의 정삼각형은 한 꼭짓점에서 만난다. 그들의 밑변이 새로운 정삼각형을 형성하는 동안.
사면체는 정다면체 중 면의 수가 가장 적고 정다각형 중 변의 수가 가장 적은 평평한 정삼각형의 3차원 유사체입니다.
정삼각형으로 이루어진 다음 몸체를 팔면체라고 합니다. 팔면체에서 네 개의 삼각형은 한 꼭짓점에서 만난다. 결과는 사각형 바닥이 있는 피라미드입니다. 이러한 피라미드 2개를 밑변으로 연결하면 8개의 삼각형 면이 있는 대칭 몸체인 팔면체를 얻습니다.
이제 한 점에서 5개의 정삼각형을 연결해 볼 수 있습니다. 결과는 20개의 삼각형 면(이십면체)이 있는 그림입니다. 다음 올바른 다각형 모양은 정사각형입니다. . 세 개의 정사각형을 한 점에 연결한 다음 세 개를 더 추가하면 정육면체라는 완벽한 6면 모양이 됩니다. 마지막으로 다음 정다각형인 오각형을 이용하여 정다면체를 구성하는 또 다른 가능성이 있다. 각 점에서 3개의 오각형이 만나는 방식으로 12개의 오각형을 모으면 12면체라고 하는 또 다른 플라톤 다면체를 얻습니다.
다음 정다각형은 육각형입니다. 그러나 한 점에서 세 개의 육각형을 연결하면 표면이 생깁니다. 즉, 육각형에서 3차원 도형을 만들 수 없습니다. 육각형 위의 다른 모든 정다각형은 솔리드를 형성할 수 없습니다. 이러한 고려 사항으로부터 면이 정삼각형, 정사각형 및 오각형만 될 수 있는 정다면체는 5개뿐입니다.
표면으로 간주되는 볼록 다면체의 일반 이론에서 두 가지 정리를 고려하십시오.
2.6 오일러의 정리
표 1은 정다면체의 면, 꼭짓점, 모서리 수의 비율을 보여줍니다.
테이블 번호 1.
표 1을 고려하여 "각 열의 숫자 증가에 패턴이 있습니까?"라는 질문을 스스로에게 던져 봅시다. 분명히 아닙니다. "가장자리" 열에서 처음에는 패턴이 추적되고(4+2=6, 6+2=8) 패턴이 사라집니다(8+2?12, 12+2?20). "상단" 열의 안정적인 증가조차 없습니다. 정점의 수는 증가(4에서 8, 6에서 20)한 다음 감소합니다(8에서 6, 20에서 12). "갈비뼈" 열에서는 패턴이 보이지 않습니다. 하지만 포기하지 맙시다. 결국 우리는 같은 열에 있는 숫자를 비교하고 있었습니다. 그러나 적어도 "면"과 "꼭짓점"(D 및 C) 열에서 두 열의 숫자 합계를 고려할 수 있습니다. 그런 다음 우리는 새로운 계산표를 만들 것입니다.
표 번호 2.
이제 패턴이 육안으로 볼 수 있습니다. "면과 꼭짓점의 수의 합은 변의 수를 2만큼 늘린 것과 같다." 그래서 우리는 오일러의 정리(1752)를 증명했습니다.(꼭짓점의 수에서 변의 수를 뺀 값을 더한 볼록 다면체의 면의 수는 2와 같습니다. 위에서 언급했듯이 가장 단순한 C 20 풀러렌은 12면체입니다. 즉, 오일러의 정리가 성립합니다. 가장 안정적인 C 60 풀러렌 분자는 꼭짓점 60개, 면 32개, 모서리 90개, 즉 60 - 90 + 32 = 2, 즉 오일러의 정리도 충족됩니다.
2.7 알렉산드로프의 정리
다음 정리는 알렉산드로프의 정리(1939)입니다. 이 정리는 존재 정리입니다. 즉, 볼록 다면체가 어떤 전개와 함께 존재하는지 보여줍니다. 이렇게 하려면 전개도를 볼록 다면체의 표면으로 바꾸려면 a) 오일러 조건이 충족되고 b) 한 정점에 붙일 때 수렴하는 평면 각도의 합이 360° 미만이어야 합니다. 모든 정점에 대해.
그림 12는 가장 유명한 세 가지 풀러렌인 C 60 , C 70 및 C 84의 평면 스캔을 보여줍니다. 3차원 모델을 붙일 때는 먼저 다면체 모서리의 길이가 2-3cm가 되도록 전개도를 늘린 다음 둘레를 따라 전개도를 자른다. 숫자 "5"가 있는 육각형은 점이 표시된 꼭짓점의 측면에서 절단되어 제거됩니다. 문자 "T"가 있는 육각형 - 접착용 혀. 모형이 서로 접착되면서 숫자 "5"의 육각형 대신 오각형(잘라낸 부분)이 형성됩니다.
풀러렌 분자의 전개를 고려하면(그림 8), 2개의 육각형과 1개의 오각형이 해당 그림의 꼭짓점에서 수렴한다는 것을 알 수 있습니다(그러면 평면 각도의 합은 각각 120 0 +120 0 +72 0 =312 0<360 0). То есть выполняется второе условие теоремы Александрова.
2.8 이중성
모든 정다면체 사이에는 놀라운 기하학적 연결이 있습니다. 예를 들어, 정육면체와 팔면체는 이중입니다. 즉, 한 면의 무게 중심을 다른 면의 꼭짓점으로 취하거나 그 반대의 경우 서로에게서 얻습니다. 유사하게, 20면체와 12면체는 쌍대입니다.
사면체는 쌍대입니다. 정십이면체는 정육면체의 면에 "지붕"을 만들어 정육면체에서 얻고, 사면체의 꼭짓점은 모서리를 따라 쌍으로 인접하지 않은 정육면체의 네 꼭짓점입니다. 즉, 다른 모든 정다면체는 정육면체에서 얻을 수 있습니다. . 한 쌍의 이중 다면체의 경우 하나의 꼭짓점의 수는 다른 하나의 면의 수와 같고 가장자리는 동일합니다. 이중 다면체는 그림 13에 나와 있습니다.
§3 고립오각형(오각형)의 법칙
안정성 측면에서 풀러렌은 안정형과 불안정형의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
그들 사이의 선을 통해 고립된 오각형의 규칙(Isolated Pentagon Rule, IPR)을 그릴 수 있습니다. 이 규칙은 오각형이 서로 닿지 않는 풀러렌이 가장 안정하다고 말합니다. 즉, 각 오각형은 5개의 육각형으로 둘러싸여 있고 육각형으로만 공통 모서리가 있습니다. Buckminsterfullerene은 고립 오각형의 규칙을 만족시키는 풀러렌의 첫 번째 대표자이며 C 70은 두 번째 대표자입니다.
풀러렌 계열의 가장 대칭적인 대표자인 C 60 분자에서 육각형의 수는 20개입니다. 이 경우 각 오각형은 육각형에만 접하고 각 육각형은 3개의 공통면이 육각형으로, 3개는 오각형으로 되어 있습니다.
n > 70인 풀러렌은 항상 IPR 규칙을 따르는 이성질체를 가지며 이러한 이성질체의 수는 빠르게 증가하고 있습니다. C 78 의 경우 5 , C 84 의 경우 24 , C 90 의 경우 40 을 찾았습니다. n이 22에서 68인 다른 모든 풀러렌은 구조에서 서로 인접한 오각형을 가지며 덜 안정적입니다. 그러나 이러한 규칙에도 불구하고 주로 C 36 분자로 구성된 약 100nm의 두께를 갖는 흑색막을 얻을 수 있었다. 각 분자는 12개의 오각형과 2개의 육각형 탄소 고리로 구성되어 있으며 6차 대칭축을 가지고 있습니다.
풀러렌에 대한 연구의 발달로 36개에서 540개까지 다양한 탄소수를 포함하는 풀러렌 분자가 합성되어 연구되고 있으나, 그 존재 가능성과 가능한 가장 작은 풀러렌 분자인 C20을 얻는 방법에 대한 문제 , 아직 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다. 이러한 분자의 표면은 오각형으로만 구성되어야 하며 육각형은 전혀 포함하지 않아야 합니다. 이러한 구조는 큰 풀러렌 분자보다 훨씬 더 날카로운 각이 특징이며 고립 된 오각형의 규칙을 따르지 않으므로 화학적 안정성과 결과적으로 C 20 분자를 얻을 가능성이 의심되는 이유가있었습니다. 동시에 C20이 없으면 풀러렌 계열이 불완전해 보였습니다.
결론
이 논문에서 우리는 비교적 최근에 발견된 탄소의 동소변성(allotropic modifier)인 풀러렌(풀러렌)의 개념을 고려했습니다. 탄소의 다른 동소 변형과 달리 풀러렌은 분자 구조를 가지며 분자는 반정다면체입니다. 풀러렌은 자연에서 수학(다면체 및 다각형)에서 연구된 추상적인 인물의 표현입니다. 풀러렌은 다양한 용도로 사용될 전망이 큰 물질이므로 기하학적 구조에 대한 연구와 연구가 매우 중요합니다.
풀러렌 분자의 구조를 고려하여 볼록 다면체에 대해 공식화된 정리인 오일러의 정리와 알렉산드로프의 정리를 따른다는 결론을 내렸습니다.
문학
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풀러렌이 개념의 가장 일반적인 의미에서 탄소 원자로만 구성되고 볼록 다면체 모양을 갖는 실험적으로 얻은 가상 분자의 이름을 지정할 수 있습니다. 탄소 원자는 정점에 위치하고 C-C 결합은 가장자리를 따라 이어집니다.
풀러렌은 탄소의 분자 형태입니다. 일반적인 정의는 풀러렌, 고체 상태에 있는 것을 이라고 합니다. 풀러라이트. 풀러라이트의 결정 구조는 풀러렌 분자의 주기적인 격자이며, 결정질 풀러라이트에서는 풀러렌 분자가 fcc 격자를 형성합니다.
풀러렌은 90년대 초반부터 천문학, 물리학, 생물학, 화학, 지질학 및 기타 과학에 관심을 가져왔습니다. 풀러렌은 환상적인 의학적 특성으로 인정받고 있습니다. 예를 들어 풀러렌은 이미 화장품에서 회춘제로 화장품에 사용되기 시작했다고 합니다. 풀러렌의 도움으로 그들은 암, HIV 및 기타 무서운 질병과 싸울 것입니다. 동시에, 이러한 데이터의 참신함, 그들의 작은 연구 및 현대 정보 공간의 세부 사항으로 인해 아직 풀러렌에 대한 그러한 정보를 100% 신뢰할 수 없습니다.
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풀러렌이 발견되기 전에 흑연과 다이아몬드라는 두 가지 탄소 다형성 변형이 있었고 1990년 이후에는 탄소의 다른 동소체 형태가 추가되었다는 매우 단순화된 관점이 널리 퍼져 있습니다. 사실, 탄소의 존재 형태는 놀라울 정도로 다양하기 때문에 그렇지 않습니다(기사 참조). 
풀러렌 발견의 역사
L.N.이 이끄는 저자 팀 Sidorova는 모노그래프 "Fullerenes"에 이 주제에 대한 많은 작품을 요약했지만 결코 전부는 아닙니다. 저자에 따르면, 풀러렌의 발견- 지구상에서 가장 흔한 원소 중 하나인 탄소의 새로운 형태의 존재는 20세기 과학의 가장 중요한 발견 중 하나로 인식되고 있습니다. 모든 유기 화학의 기초를 형성하는 복잡한 분지형 및 부피가 큰 분자 구조에 결합하는 탄소 원자의 오래 알려진 독특한 능력에도 불구하고 단 하나의 탄소로부터 안정적인 골격 분자를 형성할 가능성은 여전히 예상치 못한 것으로 밝혀졌습니다. 자료에 따르면 1985년에 자연계에서 자연적으로 발생하는 과정에서 이러한 유형의 60개 이상의 원자가 분자가 발생할 수 있다는 실험적 확인이 있었지만 그보다 훨씬 이전에 닫힌 탄소 구를 가진 분자의 안정성이 이미 가정되었습니다. .
풀러렌 검출탄소의 승화 및 응축 과정에 대한 연구와 직접 관련이 있습니다.
의 새로운 무대 풀러렌 1990년에 새로운 화합물을 그램 단위로 얻는 방법이 개발되었고 풀러렌을 순수한 형태로 분리하는 방법이 설명되었습니다. 그 후, C 60 풀러렌의 가장 중요한 구조적 및 물리화학적 특성이 확립되었습니다. C60 이성질체(buckminsterfullerene)는 알려진 풀러렌 중에서 가장 쉽게 형성되는 화합물입니다. Fullerene C60은 돔형 프레임이 오각형과 육각형으로 구성된 구조물을 만든 미래파 건축가 Richard Buckminster Fuller의 이름을 따서 명명되었습니다. 동시에 연구 과정에서 일반화 된 이름의 필요성이 제기되었습니다. 풀러렌다양성으로 인해 닫힌 표면(카본 프레임)이 있는 체적 구조용.
탄소 재료의 전체 라인이 Buckminster Fuller의 이름을 따서 명명되었다는 점도 주목할 가치가 있습니다. c60 fullerene(buckminster fullerene)은 buckyball이라고도 합니다(Buckminster Fuller는 "Buckminster"라는 이름을 좋아하지 않았고 약어 "Bucky"를 선호했습니다). 또한 탄소나노튜브 - buckityubes, egg-shaped fullerenes - buckyegg(버키볼 에그) 등을 같은 접두사로 부르기도 합니다.
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풀러렌의 성질. 풀러라이트
풀러렌 속성객관적인 이유로 불충분하게 연구됨: 상대적으로 적은 수의 실험실에서 이러한 특성을 연구할 기회가 있습니다. 그러나 정기간행물과 대중과학 언론에서는 풀러렌과 그 성질에 대해 많은 관심을 기울이고 있습니다. 풀러렌의 기적적인 성질에 대한 검증되지 않은 정보는 놀라운 속도로 엄청난 규모로 퍼집니다. 그 결과 약한 목소리가 거부의 여지가 남아 있습니다. 예를 들어, 풀러렌이 슌가이트에 존재한다는 한 과학자 그룹의 진술은 반복적으로 확인되었지만 확인되지 않았습니다(토론 참조). 그럼에도 불구하고 shungite는 오늘날 "천연 나노기술 풀러렌 함유 물질"로 간주됩니다. 제 생각에는 마케팅 전략에 가깝습니다.
일부 연구자들은 풀러렌이 독성과 같은 놀라운 특성을 가지고 있다고 주장합니다.
일반적으로 이야기할 때 풀러렌의 성질그들의 결정질 형태를 의미합니다 - 풀러라이트.
확연히 다른 풀러렌 결정다른 많은 유기 물질의 분자 결정에서 관찰되지 않는다는 점에서 액상. 아마도 이것은 온도가 1200이라는 사실 때문일 것입니다. 케이 C 60 풀러라이트에 기인하는 액체 상태로의 전환은 이미 풀러렌 분자 자체의 탄소 골격이 눈에 띄게 파괴되는 값을 초과합니다.
데이터에 따르면, 풀러렌의 성질풀러렌과 관련된 공정에 대한 연구 결과에 의해 입증되는 비정상적으로 높은 안정성이 그 중 하나입니다. 특히 저자는 다음과 같이 언급합니다. 결정질 풀러렌 1000 - 1200 K의 온도까지 안정한 물질로 존재하며 이는 운동 안정성으로 설명됩니다. 사실, 이것은 불활성 아르곤 분위기에서 C60 풀러렌 분자의 안정성과 관련이 있으며 산소가 있는 경우 CO 및 CO 2 의 형성과 함께 500K에서 이미 상당한 산화가 관찰됩니다.
이 연구는 극도의 충격 하중 조건에서 C60 및 C70 풀러라이트의 전기물리학 및 열역학적 특성에 대한 포괄적인 연구에 전념하고 있습니다.
어쨌든, 풀러렌의 특성을 논의할 때 C20, C60, C70 또는 다른 화합물이 의미하는 화합물을 지정해야 합니다. 당연히 이러한 풀러렌의 특성은 완전히 다릅니다.
현재 풀러렌 С60, С70풀러렌 함유 제품은 다양한 국내외 기업에서 생산 및 판매를 위해 제공됩니다. 풀러렌을 사다그리고 바쁘다 풀러렌의 성질을 연구함으로써이론적으로 누구나 할 수 있습니다. Fullerenes C60 및 C70은 유형, 순도, 수량 및 기타 요인에 따라 그램당 $15에서 $210 사이의 가격으로 제공됩니다. 풀러렌의 생산 및 판매 »
주철 및 강철의 풀러렌
존재를 전제로 철-탄소 합금의 풀러렌 및 풀러렌 구조, 그러면 구조 및 상 변형에 참여하여 강 및 주철의 물리적 및 기계적 특성에 상당한 영향을 미쳐야 합니다.
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철-탄소 합금의 결정화 메커니즘은 오랫동안 이러한 공정의 연구자에 의해 매우 세심한 주의를 기울여 왔습니다. 이 기사는 고강도 주철에서 구상 흑연의 형성에 대한 가능한 메커니즘과 그 구조의 특징에 대해 설명합니다. 철-탄소 합금의 풀러렌 성질. 저자는 "풀러렌 및 풀러렌을 기반으로 한 구조의 발견과 함께 이러한 구조를 기반으로 하는 구상흑연의 형성 메커니즘을 설명하기 위한 여러 연구에서 시도가 이루어졌다"고 기록합니다.
이 작업은 풀러렌 화학 분야의 성과를 고려하고 "철-탄소 용융 구조에 대한 새로운 아이디어"를 일반화합니다. 저자는 탄소의 분자 형태가 풀러렌 С60- 고전적인 야금법에 의해 제련된 철-탄소 합금에서 그에 의해 확인되었으며 또한 외관에 대한 세 가지 가능한 메커니즘을 보여줍니다. 강철 및 주철 구조의 풀러렌:
5년 전 한때 우리는 풀러렌철-탄소 용융물 연구 분야의 최신 성과를 상징하는 사이트 www.site의 로고인 육각형, Fe-C 용융물의 변형과 관련된 새로운 개발 및 발견의 상징으로 - 현대 주조 및 소규모 야금의 통합 단계.
문학.:
탄소의 분자 형태 또는 동소체 변형인 풀러렌은 긴 일련의 원자 클러스터 Cn(n > 20)이며, 탄소 원자로 구성되고 오각형 또는 육각형 면을 갖는 볼록한 닫힌 다면체입니다(여기에는 매우 드문 예외가 있음) . 치환되지 않은 풀러렌의 탄소 원자는 배위수가 3인 sp 2 -하이브리드 상태에 있는 경향이 있습니다. 따라서 원자가 결합 이론에 따라 구형 공액 불포화 시스템이 형성됩니다.
일반적인 설명
정상 조건에서 가장 열역학적으로 안정적인 탄소 형태는 흑연으로, 서로 거의 연결되지 않은 그래핀 시트 스택처럼 보입니다. 상단에 탄소 원자가 있는 육각형 셀의 평평한 격자입니다. 그들 각각은 세 개의 인접한 원자와 연결되어 있으며 네 번째 원자가 전자는 파이 시스템을 형성합니다. 이것은 풀러렌이 정확히 그러한 분자 형태라는 것을 의미합니다. 즉, sp 2 하이브리드 상태의 그림이 분명합니다. 그래핀 시트에 기하학적 결함이 도입되면 필연적으로 닫힌 구조가 형성된다. 예를 들어, 이러한 결함은 탄소 화학에서 육각형과 함께 일반적인 5원 주기(오각형 면)입니다.
자연과 기술
인공 합성을 통해 순수한 형태의 풀러렌을 얻을 수 있습니다. 이 화합물은 다른 국가에서 계속 집중적으로 연구되어 형성이 발생하는 조건을 설정하고 풀러렌의 구조와 특성도 고려됩니다. 적용 범위가 확대되고 있습니다. 아크 방전 시 흑연 전극에 형성되는 그을음에는 상당한 양의 플러렌이 함유되어 있음을 알 수 있었다. 이전에는이 사실을 아무도 보지 못했습니다.
실험실에서 풀러렌을 얻었을 때 탄소 분자가 자연에서 발견되기 시작했습니다. Karelia에서는 인도와 미국의 shungite 샘플에서 furulgits가 발견되었습니다. 또한 적어도 6,500만 년 된 운석과 바닥 퇴적물에는 많은 탄소 분자가 빈번하게 존재합니다. 지구에서 순수한 풀러렌은 번개 방전과 천연 가스 연소 중에 형성될 수 있습니다. 2011년 지중해를 점령한 것에 대해 연구한 결과 이스탄불에서 바르셀로나까지 채취한 모든 샘플에 풀러렌이 존재하는 것으로 나타났습니다. 이 물질의 물리적 특성은 자발적인 형성을 유발합니다. 또한 엄청난 양의 물질이 기체 상태와 고체 형태로 우주에서 발견되었습니다.
합성
풀러렌의 분리에 대한 첫 번째 실험은 고체 흑연 샘플의 레이저 조사에 의해 얻은 흑연의 응축 증기를 통해 이루어졌습니다. 풀러렌의 흔적만 얻어졌습니다. 1990년에야 화학자 Huffman, Lamb 및 Kretchmer가 풀러렌을 그램 단위로 추출하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그것은 헬륨 분위기와 저압에서 전기 아크로 흑연 전극을 태우는 것으로 구성되었습니다. 양극이 침식되었고 풀러렌을 포함하는 그을음이 챔버 벽에 나타났습니다.
다음으로, 그을음은 톨루엔 또는 벤젠에 용해되었고 순수한 그램의 C 70 및 C 60 분자가 생성된 용액에서 분리되었습니다. 비율은 1:3입니다. 또한, 용액에는 2%의 고차 중 풀러렌도 포함되어 있습니다. 이제 문제는 작았습니다. 최고의 풀러렌 수율을 달성하기 위해 대기 조성, 압력, 전극 직경, 전류 등 증발을 위한 최적의 매개변수를 선택하는 것입니다. 그들은 실제 양극 물질의 최대 약 12%를 차지했습니다. 이것이 풀러렌이 비싼 이유입니다.
생산
실험 과학자들의 모든 시도는 처음에는 헛수고였습니다. 풀러렌을 얻는 생산적이고 저렴한 방법은 발견되지 않았습니다. 화염에서 탄화수소를 태우는 것도 화학 합성도 성공하지 못했습니다. 전기 아크 방식이 가장 생산적이어서 시간당 약 1g의 풀러렌을 얻을 수 있었습니다. Mitsubishi는 탄화수소를 연소시켜 산업적 생산을 확립했지만 풀러렌은 순수하지 않습니다. 여기에는 산소 분자가 포함되어 있습니다. 그리고이 물질의 형성 메커니즘은 여전히 불분명합니다. 왜냐하면 아크 연소 과정은 열역학적 관점에서 매우 불안정하기 때문에 이론에 대한 고려가 크게 느려집니다. 풀러렌이 개별 탄소 원자, 즉 C 2 조각을 수집한다는 사실만이 반박할 수 없습니다. 그러나이 물질의 형성에 대한 명확한 그림은 형성되지 않았습니다.
풀러렌의 높은 비용은 연소 중 낮은 수율에 의해서만 결정되는 것이 아닙니다. 그을음에서 다양한 덩어리의 풀러렌 분리, 정제, 분리 - 이러한 모든 과정은 매우 복잡합니다. 이는 특히 컬럼에서 액체 크로마토그래피를 사용하여 고압에서 수행되는 개별 분자 분획으로 혼합물을 분리하는 경우에 해당됩니다. 마지막 단계에서 용매 잔류물은 이미 고체인 풀러렌에서 제거됩니다. 이를 위해 샘플은 최대 250도의 온도에서 동적 진공 상태로 유지됩니다. 그러나 장점은 C 60 풀러렌이 개발되고 대량으로 생산되는 동안 유기 화학이 독립적인 분야로 성장했다는 것입니다. 풀러렌의 화학은 엄청나게 인기를 얻었습니다.
혜택
풀러렌 유도체는 다양한 기술 분야에서 사용됩니다. 풀러렌 필름 및 결정은 광 조사 하에서 광전도성을 나타내는 반도체입니다. C 60 결정은 알칼리 금속 원자로 도핑되면 초전도 상태가 됩니다. 풀러렌 솔루션은 비선형 광학 특성을 가지므로 강렬한 방사선에 대한 보호에 필요한 광학 셔터의 기초로 사용할 수 있습니다. 풀러렌은 다이아몬드 합성의 촉매로도 사용됩니다. 풀러렌은 생물학과 의학에서 널리 사용됩니다. 이 분자의 세 가지 속성이 여기에서 작용합니다. 친유성, 막영양성을 결정, 전자 결핍, 자유 라디칼과 상호 작용할 수 있는 능력, 자신의 여기 상태를 일반 산소 분자로 전달하고 이 산소를 내의.
이러한 활성 형태의 물질은 핵산, 단백질, 지질과 같은 생체 분자를 공격합니다. 활성 산소 종은 암을 치료하기 위한 광역학 요법에 사용됩니다. 감광제는 환자의 혈액에 주입되어 활성 산소 종(풀러렌 자체 또는 그 유도체)을 생성합니다. 종양의 혈류는 건강한 조직보다 약하므로 감광제가 종양에 축적되고 직접 조사 후 분자가 흥분하여 활성 산소 종을 생성합니다. 암세포는 세포자살을 일으키고 종양은 파괴됩니다. 또한, 풀러렌은 항산화 특성을 갖고 활성 산소 종을 가둡니다.
풀러렌은 바이러스를 DNA에 삽입하고, 바이러스와 상호 작용하고, 구조를 변경하고, 주요 해충 기능을 박탈하는 역할을 하는 단백질인 HIV 통합효소의 활성을 감소시킵니다. 일부 풀러렌 유도체는 DNA와 직접 상호작용하여 제한효소의 작용을 방지합니다.
약에 대한 추가 정보
2007년에는 수용성 풀러렌이 항알레르기제로 사용되기 시작했습니다. 연구는 풀러렌 유도체인 C60(NEt)x 및 C60(OH)x에 노출된 인간 세포와 혈액에 대해 수행되었습니다. 살아있는 유기체(쥐)에 대한 실험에서 결과는 긍정적이었습니다.
풀러렌을 함유한 물(C 60의 소수성을 기억함)이 세포막을 매우 쉽게 투과하기 때문에 이 물질은 지금도 약물 전달 벡터로 사용됩니다. 예를 들어 혈액에 직접 주사하는 에리트로포이에틴은 상당량 분해되는데, 풀러렌과 함께 사용하면 농도가 2배 이상 높아져 세포 안으로 들어간다.
5.1 물리화학적 성질
Fullerene C60은 검은색 미세 결정성 분말로 무취입니다. C60 풀러렌의 밀도는 1.65g/cm3로 흑연(2.3g/cm3)과 다이아몬드(3.5g/cm3)보다 훨씬 낮습니다. 이것은 분자가 속이 비어 있기 때문입니다.
극성 용매(물, 에탄올, 아세톤)에 거의 녹지 않음. 벤젠, 톨루엔, 염화 페닐에 잘 녹습니다. 분자의 탄소 결합 길이는 0.143 및 0.139 nm이고 내부 공동의 직경은 0.714 nm로 다른 원자 또는 분자("게스트")가 공동에 포함되는 것을 선호합니다. C60은 최대 1700K의 열 안정성을 유지합니다. 개별 분자의 벌크 모듈러스는 이론적으로 720-900GPa입니다. C60의 생성 엔탈피는? 42.5kJ/mol(비교용: 흑연 형성 엔탈피는 0kJ/mol이고 다이아몬드는 1.67kJ/mol임).
결정 격자 C 60은 면심 입방체이며 각 분자에는 12개의 "이웃"이 있으며 분자는 약하게 연결되어 있습니다. 이러한 분자 격자는 승화 온도가 낮고(800°C) C 60 분자가 증기로 통과합니다. 1500K의 온도까지 기체 상태에서 완벽하게 "살아있는" 것입니다.
풀러렌 분자로 구성된 응축 시스템을 풀러라이트라고 합니다. 이러한 종류의 가장 많이 연구된 시스템은 C 60 결정이고 덜 연구된 시스템은 결정질 C 70 시스템입니다. Fullerite C60은 겨자색 고체입니다. C70은 적갈색 고체입니다.
C 60 샘플은 산소가 없는 상태에서 자외선에 민감하여 분해 반응을 일으킬 수 있습니다. 따라서 어두운 곳에서 진공 또는 질소 상태에서 보관해야 합니다. 상온에서 순수한 풀러렌은 절연체 또는 전도성이 매우 낮은 반도체입니다. 풀러렌 분자는 전기 음성도가 높으며 최대 6개의 자유 전자를 자신에게 부착할 수 있습니다.
온도의 증가는 C 60 분자의 모양 손실을 동반합니다. 풀러렌은 뚜렷한 전자 수용체이며 강력한 환원제(알칼리 금속)의 작용으로 최대 6개의 전자를 받아 C 60 6- 음이온을 형성할 수 있습니다. 또한 친핵체와 자유 라디칼을 쉽게 부착합니다.
풀러렌의 화학적 특성은 그림 7에 나와 있습니다. 풀러렌은 C 60 H 36으로 수소화되고(반응 1), 올레핀처럼 할로겐화됩니다(반응 2, 3). 할로겐화 생성물은 쉽게 친핵성 치환 반응에 들어간다(반응 4). 산소로 산화되면(UV 조사하에서) 풀러렌 산화물이 형성됩니다(반응 5). 이와 관련하여 유기 용매의 풀러렌 용액은 불활성 분위기에서 보관 및 취급하는 것이 좋습니다. 풀러렌은 AlCl 3 존재하에서 아릴화됩니다(반응 6). 위에서 논의된 오스뮴 산화물의 추가는 본질적으로 개방 이중 결합을 통해 진행되는 산화입니다(반응 7). 아민(반응 8), 아미노산(반응 9) 및 시안화물(반응 10)도 풀러렌 이중 결합의 개방과 결합됩니다. 여러 아미노 그룹을 포함하는 풀러렌은 수용성입니다. 알칼리 금속(예: 세슘 또는 루비듐)으로 환원되면 전자가 금속 원자에서 풀러렌으로 이동합니다. 생성 된 화합물은 저온 초전도성을 가지며 초전도성의 출현에 대한 임계 온도는 33K입니다.
풀러렌 화학 흡착 나노구조
그림 7 - 풀러렌의 화학적 특성
폴리아실렌, 그 특성 및 특징
폴리아세틸렌의 밀도 = 0.04-1.1g/cm, 결정화도 0-95%. 폴리아세틸렌의 시스 및 트랜스 형태가 알려져 있습니다. 로딩 시 cis-form. 최대 100-1500C는 트랜스 형태로 들어갑니다. 폴리아세틸렌은 알려진 유기용매에 녹지 않습니다...
카드뮴의 결정 격자는 육각형입니다. a = 2.97311, c = 5.60694(25°C에서); 원자 반경 1.56, 이온 반경 Cd2+ 1.03. 밀도 8.65g/cm3(20°C), mp 320.9? C, tkip 767°C, 열팽창 계수 29.8×10-6(25°C에서); 열전도율(0 oC에서) 97...
인산아연 얻기
수은은 실온에서 액체인 유일한 금속입니다. 고체 수은은 마름모꼴 동의어로 결정화됩니다(a = 3.463, c = 6.706). 고체 수은의 밀도 14.193g/cm3(-38.9°C), 액체 수은 13.52g/cm3(20°C), 원자 반경 1.57, 이온 반경 Hg2+ 1.10; tpl - 38...
이소퀴놀린 유도체(파파베린 염산염)의 약학적 분석
염산파파베린은 백색의 결정성 분말로서 약간 쓴맛이 있고 무취이다. 녹는점 - 225ºC. 그것은 에틸 알코올, 클로로포름, 디에틸 에테르에 잘 녹지 않고 물에 잘 녹습니다 ...
피리딘 유도체(니코틴산)의 약학적 분석
순수한 니코틴산은 무색의 바늘 모양의 결정으로 물과 알코올에 쉽게 용해됩니다. 그것은 열에 안정하고 끓이고 고압 증기 멸균할 때 생물학적 활성을 유지합니다...
퓨란 유도체(퓨라진)의 약학적 분석
Furagin은 녹는점이 85°C이고 끓는점이 32°C인 무색 결정성 분말입니다. 분자량(amu): 68.07. Furan은 acidophic 특성을 나타냅니다. 진한 황산의 작용으로 중합합니다 ...
요오드 및 그 화합물의 물리화학적 특성
요오드는 물에 약간 용해됩니다. 실온에서 약 0.03g의 요오드가 100g의 물에 용해되며 온도가 증가함에 따라 요오드의 용해도는 약간 증가합니다. 요오드는 유기 용매에 훨씬 잘 녹습니다...
풀러렌의 화학
Fullerene C60은 검은색 미세 결정성 분말로 무취입니다. C60 풀러렌의 밀도는 1.65g/cm3로 흑연(2.3g/cm3)과 다이아몬드(3.5g/cm3)보다 훨씬 낮습니다. 이것은 분자가 속이 비어 있다는 사실 때문입니다 ...
알칼리 금속
알칼리 금속은 물, 산소, 때로는 질소(Li, Cs)에 대한 높은 화학적 활성으로 인해 등유 층 아래에 저장됩니다. 알칼리 금속과 반응하는 ...
풀러렌은 60개의 탄소 원자로 구성된 닫힌 구인 분자입니다. 2010년, 풀러렌 발견 25주년을 기념하여, 이 낙서검색 엔진 Google. 이제 C60의 합성에 대한 첫 번째 보고서는 30년이 넘었고, 그 발견의 역사를 장식하는 노벨상이 20년이 조금 안 된 반면 풀러렌 연구 자체는 여전히 진행 중입니다. 이 분자가 전 세계의 연구원들에게 왜 그토록 관심이 있습니까? 과학에 정통하지 않은 많은 사람들이 적어도 과학에 대해 들어본 적이 있는 이유는 무엇입니까?
C60의 역사에 대한 소개부터 시작하겠습니다. 종종 놀라운 발견은 언뜻보기에는 직접적인 관련이없는 사건이 선행되지만 자세히 살펴보면 여러 똑똑한 사람들의 만남, 흥미로운 아이디어 및 신선한 실험 결과를 결합해야합니다. 관심 문제에 대한 새로운 시각.
이 모든 것은 1970년대 중반에 Harold Kroto가 우주의 스펙트럼 데이터에서 긴 탄소 분자 사슬을 발견했다는 사실에서 시작되었습니다. 1980년대 초반 해외 라이스 대학교(미국 텍사스) 리처드 스몰리(Richard Smalley)의 연구실에서 내화 원소로 형성된 화합물과 클러스터를 연구하기 위한 장비가 개발되었습니다.
이 두 가지 사건을 함께 연결하는 것이 남아 있습니다. 이것은 노벨 팀의 세 번째 구성원인 로버트 컬(Robert Curle)이 1984년에 서식스 대학(University of Sussex)에 있는 크로토(Kroto)의 실험실에 손님으로 초대하여 스몰리(Smalley)의 실험실을 방문하도록 초대했습니다. Kroto는 설정의 실행 가능성에 깊은 인상을 받았고 금속 디스크를 흑연 디스크로 교체하여 금속 클러스터 대신 탄소 사슬을 생성하여 항성 껍질과 같은 조건을 시뮬레이션할 것을 제안했습니다.
1985년 8월, Kroto는 이러한 실험에 참여하기 위해 Smalley's에 왔습니다. 그렇게 그의 역사적인 10일 간의 방문이 시작되었습니다. 9월의 이 10일 동안 60 및 70 탄소 원자 구조의 질량 스펙트럼에서 처음으로 모호한 피크가 나타났고, 그 다음에는 축구공과 럭비 공 모양의 닫힌 구조로 해석되었습니다. 그리고 9월 13일, 잡지의 편집자들은 자연"C60: Buckminsterfullerene"이라는 제목의 기사를 받았습니다. 이 기사의 풀러렌 분자는 축구공의 도움으로 묘사됩니다. 분명히 저자는 이해할 수 있는 원자 모델을 만들 시간이 없었습니다.
저자들은 왜 생성된 C60 분자가 사슬이 아니라 정확히 닫힌 구라고 가정했을까요? 이것은 무엇보다도 자연이 대칭 구조를 "사랑"하고 잘린 20면체(축구공 모양)가 가장 높은 대칭을 갖기 때문입니다. Kroto는 다음과 같이 썼습니다. "나는 이 형태의 분자가 너무 아름다워서 그것이 사실임에 틀림없다고 생각했던 것을 기억합니다." Kroto는 1983년에 사망한 저명한 발명가이자 철학자인 Buckminster Fuller가 지은 돔에서 영감을 얻었습니다.
풀러렌은 실험적 생산 훨씬 이전에 이론적으로 예측되었다는 점에 유의해야 합니다. 1966년 David Jones는 정육각형으로 구성된 흑연 층에 오각형 결함을 도입하면 이 평평한 층을 속이 빈 폐쇄 구조로 바꿀 수 있다고 제안했습니다. 1971년 일본에서 물리학자 Osawa는 그러한 구조의 존재 가능성에 대해 논의했습니다(그림 3). 그러나 그는 이 결과를 일본 잡지에 게재했습니다. 카가쿠("Chemistry")는 일본어로만 발행됩니다. 그리고 1년 후 그는 방향족성에 관한 책을 썼지만 풀러렌에 대한 챕터가 포함된 일본어로 다시 한 번 책을 썼습니다. C60의 실험적 발견이 있기 전까지 그의 작업이 과학계에 알려지지 않은 것은 언어의 장벽 때문이었습니다.
1971년 소련에서 풀러렌의 안정성과 전자 구조에 대한 양자 화학 계산이 처음으로 수행되었다는 점에 유의해야 합니다. 그것은 다음과 같은 방식으로 일어났습니다. 당시 러시아 과학 아카데미 (INEOS RAS)의 유기 원소 화합물 연구소 소장은 소련 과학 아카데미 AN Nesmeyanov의 학자였으며 양자 화학 연구소 DA Bochvar가 중공 탄소 폐쇄 구조를 조사하도록 제안했습니다. 금속 원자가 배치될 수 있는 곳으로, 이를 통해 환경에서 격리할 수 있습니다.
그의 동료 E. G. Galpern 및 I. V. Stankevich, D. A. Bochvar와 함께 이 작업을 시작했습니다. 12면체 모양을 하고 있는 C20 분자의 안정성에 대한 연구에서 시작하여 탄소십이면체라고 불렀습니다. 그러나 이러한 분자의 크기는 작기 때문에 처음에는 금속 원자가 분자에 도입될 가능성이 제한됩니다. 그리고 가장 중요한 것은 계산 결과 이러한 구조가 불안정해야 함을 보여주었습니다. 작업이 중지되었습니다. 열렬한 축구 선수 인 I. V. Stankevich는 잘린 20 면체 - 축구 공의 대칭을 갖는 C60 탄소로 만들어진 또 다른 가능한 폐쇄 구조를 제안했습니다. 그는 축구공을 실험실로 가져와 Galpern에게 이렇게 말했습니다. 이 모양의 분자는 매우 강해야 합니다.”
이 크기의 분자에 대한 양자 화학 계산은 당시 컴퓨터로는 매우 어려웠지만 수행하여 C60이 안정한 분자임을 보여주었습니다. 처음에 Bochvar, Halpern 및 Stankevich는 그러한 분자의 존재 가능성에 대해 화학자들을 설득하는 데 실패했으며 1972년에 미국 과학자들이 가능한 C20 12면체 분자에 대한 간략한 메모가 나타났습니다. Nesmeyanov는 Doklady AN SSSR에서 C60에 대한 작업을 제출하도록 요청했습니다. 불행히도 Bochvar, Halpern 및 Stankevich는 실험 화학자들이 이 구조를 합성하도록 설득하는 데 실패했으며 1985년에 합성될 때까지 이 구조는 이론적인 발명으로 간주되었습니다. 노벨상 수상자들은 C60 연구에 기여한 바를 언급했습니다. Smalley의 노벨 강연에서 Osawa, Jones, Halpern, Stankevich가 이 상을 받을 자격이 있으며, 이들 각각은 발견에 기여한 것으로 나타났습니다.
풀러렌 발견의 역사는 Kroto의 노벨 강연에서 다음과 같이 끝낼 수 있습니다. 놀라운 대칭. 이 분자 주위에 아우라를 생성하는 또 다른 중요한 사실은 벅민스터풀러렌이라는 이름과 관련이 있습니다. 이 모든 것이 우리의 우아한 분자에 카리스마를 주어 과학자들을 매료시켰고, 주민들을 기쁘게 했으며, 과학에 대한 태도에서 젊은이들에게 열정을 더했으며, 특히 화학에 신선한 숨을 불어넣었습니다.”
풀러렌과 풀러라이트의 성질
상온에서 순수한 풀러렌은 약 2eV의 밴드갭을 갖는 절연체이거나 전도성이 매우 낮은 진성반도체이다. 고체에서 전자는 원자 또는 분자 에너지 수준에서 형성되는 허용된 에너지 영역에서 특정 값 범위에서만 에너지를 가질 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 이 밴드는 전자가 가질 수 없는 금지된 에너지 밴드에 의해 분리됩니다.
낮은 밴드는 일반적으로 원자 또는 분자 사이의 화학 결합 형성에 관여하는 전자로 채워져 있으므로 종종 원자가 밴드라고합니다. 그 위에는 밴드 갭이 있고 그 뒤에는 비어 있거나 불완전하게 채워진 허용 에너지 밴드 또는 전도 밴드가 있습니다. 그것은 전자가 전기장에서 이동(드리프트)할 수 있는 자유 전자 상태가 항상 있기 때문에 그 이름을 얻었습니다. .
풀러렌 결정(풀러라이트)은 1.2–1.9 eV의 밴드 갭을 갖는 반도체로 광전도성을 가지고 있습니다. 가시광선을 조사하면 풀러라이트 결정의 전기 저항이 감소합니다. 광전도성은 순수한 풀러라이트뿐만 아니라 다른 물질과의 다양한 혼합물에 의해서도 소유됩니다. C60 필름에 칼륨 원자를 추가하면 19K에서 초전도 현상이 나타납니다.
풀러렌은 화학적 성질이 다른 라디칼을 자체에 부착함으로써 물리화학적 성질이 다른 광범위한 종류의 화합물을 형성할 수 있습니다. 따라서 C60 분자가 풀러라이트 결정과 같이 반데르발스에 의해 연결되지 않고 화학적 상호작용에 의해 연결된 폴리풀러렌 필름이 얻어졌다. 플라스틱 특성을 가진 이 필름은 새로운 유형의 고분자 재료입니다. 풀러렌 기반 폴리머 합성 방향에서 흥미로운 결과가 달성되었습니다. 이 경우 C60 풀러렌이 고분자 사슬의 기본 역할을 하며 분자간 연결은 벤젠고리를 이용하여 이루어진다. 이 구조는 "진주 끈"이라는 비유적인 이름을 받았습니다.
풀러렌 중합은 현대 기술에 유망한 특이한 효과의 출현으로 이어집니다. 풀러렌과 다른 탄소 나노구조의 조합은 흥미로운 대상으로 이어집니다. 탄소 나노튜브 내부의 풀러렌은 "완두콩 꼬투리"를 형성합니다( 완두콩), 레이저, 단일 전자 트랜지스터, 양자 컴퓨터용 스핀 큐비트 등에 사용될 가능성이 있는 반면 전자빔의 영향은 내부 탄소 튜브로의 풀러렌 중합으로 이어질 수 있습니다. 반면에, 나노튜브의 표면에 풀러렌을 추가하면 유망한 방출 특성을 가진 "나노버드"가 생성됩니다.
1993년 FGBNU TISNUM(모스크바, 트로이츠크)에서 V. D. Blank, M. Yu. Popov 및 S. G. Buga는 기록적인 탄성 상수와 경도를 가지며 긁힐 수도 있는 풀러렌 기반의 신소재인 초경질 풀러라이트 또는 티스누마이트를 획득했습니다. 다이아몬드. L. A. Chernozatonsky는 실험과 완벽하게 일치하는 이러한 중합체의 모델을 제안했습니다. 이 재료의 독특한 특성은 아마도 그 안에 중합된 풀러라이트가 압축된 상태에 있기 때문에 전체 재료의 기계적 강성과 경도가 크게 증가하기 때문일 것입니다. 초경질 탄소 샘플은 다른 그룹에서 연속적으로 얻어졌습니다.
비탄소 풀러렌
폐쇄된 중공 구조는 탄소 원자에 의해서만 형성될 수 없습니다. 탄소의 등전자 유사체인 질화붕소도 비슷한 모양의 분자를 형성할 수 있다고 예상하는 것은 당연할 것입니다. 그러나 이러한 구조는 1998년에만 얻어졌으며 비탄소 풀러렌 시리즈의 첫 번째 구성원은 MoS2 및 WS2 조성의 폐쇄 구조였습니다. 이 화합물은 전이 금속 디칼코게나이드의 부류에 속합니다. 금속 원자의 층으로 구성되어 있고 양쪽에 칼코겐 층(이 경우 황)이 부착되어 있습니다. 이러한 풀러렌의 특징은 화학적 불활성으로 우수한 윤활제로 사용할 수 있습니다. 회사 나노소재그리고 N.I.S. 이러한 제품을 연간 1000톤 이상 판매합니다.
현재 수십 개의 비탄소 풀러렌이 구조와 조성이 서로 다른 것으로 발견되었습니다. 종종 합성은 재료의 특성을 추정할 수 있는 이론적 예측이 선행됩니다. 예를 들어, 2001년에는 이붕화마그네슘으로부터 풀러렌 모델이 제안되었습니다. 2007년에 Boris Yakobson(Rice University) 그룹은 C60과 대칭이 동일한 붕소 B80으로 완전히 구성된 풀러렌을 예측했습니다. 이와 같은 아름다운 분자에 대한 논문이 학계의 큰 관심을 불러일으켰고, 서로 다른 수의 원자를 포함하는 다수의 안정한 보론풀러렌이 예측되었고, 2014년에는 보론풀러렌 B40의 성공적인 합성이 보고된 논문이 발표되었습니다. 최근 탄소 원자의 5원자 고리가 금속 원자를 통해 연결된 풀러렌 C60Sc20의 안정적인 구조를 예측하는 연구가 발표됐다. 이러한 분자는 우수한 안정성을 보여주며 분자 수소의 흡착제로 사용될 수 있습니다. 그것은 실험에 달려 있습니다.
추가 문헌
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