Что такое фуллерены и для чего они нужны

15.12.202328.09.2023 admin 0 Comments

Что такое фуллерены?

Фуллереновый бум, или секрет «волшебной сажи».

Это молекулы углерода, размером 0,7 нм со сферической кристаллической решеткой в виде многогранника, у которого столько же вершин, сколько атомов в молекуле углерода.

Почему фуллерены называют ловушками для свободных радикалов?

Свободные радикалы чаще всего представлены в организме в виде АФК (активных форм кислорода), осуществляющих окисление клеток с последующим разрушением митохондрий, что ведет к старению тканей и появлению новообразований.

Молекула С60 быстро находит АФК в соединении перекиси водорода, вступает с ней в реакцию, образуя новые безопасные химические связи.

В настоящее время фуллерены широко используется в косметической промышленности как косметические ингредиенты в борьбе против морщин, угревой сыпи, гиперпигментаций, новообразований и воспалений различной природы.

В нашем интернет-магазине представлены омолаживающие тканевые маски с фуллеренами и протеинами шёлка, от производителя JOMTAM.

Помимо фуллеренов, в составе питательной сыворотки маски присутствуют ценные шёлковые протеины и аллантоин.

Белок серицин – так называемый «шёлковый коллаген», состоит из 286 белков и пептидов. Белковые шарики серицина заполняют поврежденные участки кожи, восстанавливая ее целостность. Это уникальное свойство шелковых протеинов обеспечивает выраженный лифтинг-эффект. Воздействие белков и проникающая особенность пептидов делают кожу гладкой, как шёлк.

Аллантоин – гипоаллергенное ранозаживляющее вещество, в состав которого входит глюкоза, гликозиды, фруктоза, каротин. Он обладает антибактериальными свойствами, смягчает, увлажняет сухую кожу, устраняет шелушения, предупреждает появление комедонов.

Тканевая маска с уникальными по эффективности ингредиентами оказывает сильное омолаживающее действие, подтягивает контуры, ускоряет метаболизм, выводит токсины, освежает цвет кожи, смягчает, увлажняет, наполняет энергией, повышает упругость кожи.

Источник

Что такое фуллерен

Фуллерен – уникальное вещество, за открытие которого ученые получили нобелевскую премию в 1985 году. Некоторые исследователи полагают, что фуллерен стал основой, матрицей, вокруг которой сформировались первые органические молекулы и появилась жизнь. Они образовались на поверхности Земли под воздействием разрядов молний, бушевавших в тот период. Процесс возникновения фуллеренов продолжается и сейчас, но в гораздо меньших объемах.

В 2015 году ученые из Базельского университета при изучении спектров излучения космических объектов доказали, что в них повсеместно присутствуют молекулы фуллерена С60.

Фуллерен – это форма углерода, точнее молекулярное соединение атомов углерода, как графит или алмаз, но в отличие от них в фуллерене молекула имеет форму футбольного мяча, мяча для гольфа или чечевички. Существует много разновидностей фуллеренов, но самая распространенная форма состоит из 60 атомов углерода, поэтому чаще всего его формулу записывают как С60.

Благодаря наличию двойной связи они способны присоединять к себе радикалы и образовывать различные соединения, обладающие удивительными свойствами, очень эффективными при использовании в современных технологиях.

В природе микроскопические количества фуллеренов содержатся в карельском шунгите и древних донных отложениях. Но использование шунгита для добычи фуллеренов невозможно по той причине, что его содержание (по данным О.В.Мосина, канд. хим. наук. Член Японского Общества биохимии, биотехнологии и бионауки) составляет всего лишь от 0,0001 до 0,001 мас.%. То есть для получения 1 г нам понадобилось бы переработать от 100 до 1000 кг шунгита. При этом выделение такого количества фуллеренов из такого объема вещества не представляется возможным.

Как производятся фуллерены?

В настоящее время самый эффективный способ производства фуллеренов – сжигание графита в электрической дуге в атмосфере инертного газа. При этом получается фуллеренсодержащая сажа, в которой в среднем от 4 до 20% фуллеренов в зависимости от качества графита и условий, которые удается достичь в процессе синтеза.

Но получение фуллереновой сажи – это только половина дела, ведь из нее необходимо извлечь чистый фуллерен. Как это сделать? Фуллерены не растворяются в воде, но если смешать сажу с органическим растворителем можно получить раствор из фуллеренов, который затем нужно тщательно отфильтровать от частичек сажи. После этого растворитель отгоняется под вакуумом и получается сухая смесь, которая содержит только фуллерены без каких-либо примесей. Но в этой смеси присутствует не только фуллерен С60, но и другие фуллерены, например, С70 в количестве 20 – 30% и так называемые высшие фуллерены в количестве 2 – 5%. Для их разделения и очистки применяется жидкостная хроматография. Поэтому при стоимости 1 г смеси фуллеренов порядка 1000 руб, стоимость 1 г С60 может составлять от 2000 до 8000 руб, а С70 – от 15000 до 40000 руб в зависимости от чистоты.

К счастью, фуллерен проявляет свою активность уже при минимальном содержании в продукте, поэтому для создания эффективных косметических и медицинских средств его добавляют в небольшом количестве.

Важно не только получить фуллерены, но и тщательно очистить их от примесей и разделить на фракции. С этими задачами успешно справляются наши поставщики, поэтому мы предлагаем вам косметику самого высокого качества с высоким содержанием фуллеренов.

Где используется фуллерен

Области применения фуллеренов невероятно разнообразны, но по причине сложности получения, высокой стоимости, необходимости разработки новых технологических цепочек, их применение все еще очень ограничено. Кроме того, многие производители не заинтересованы в получении более долговечной и эффективной продукции в силу экономических причин.

Вот лишь несколько областей, в которых были проведены исследования и получены хорошие результаты:

Более подробно о применении фуллерена в медицине и косметологии мы поговорим в следующей статье.

Ссылки на исследования и интересные статьи, посвященные фуллеренам:

Источник

Мячи и трубки, или Что такое фуллерены

Фуллерены — чуть ли не самые известные и необычные вещества из открытых в конце XX века. Мы попытаемся рассказать о том, чем они известны и почему необычны.

Два предисловия

История первая. В 1967 году посетителей Всемирной выставки в Монреале поразил павильон США — здание в форме сферы, собранной из множества треугольников. Его архитектором был изобретатель Ричард Бакминстер Фуллер. Благодаря ему такие купола скоро стали популярными по всему миру — когда-то можно было видеть одну из построек Фуллера и в московском парке «Сокольники». Эти сооружения прочны, легко собираются, хорошо подходят для строительства в ветреных местностях, да и просто красивы. Кстати, похожие конструкции, только поменьше и попроще, есть и на многих детских площадках.

История вторая. В сентябре 1985 года в Техас приехал британский учёный Харольд Крото. Он изучал химические процессы в атмосфере некоторых звёзд и узнал, что в Техасском университете Райса у профессора Ричарда Смолли есть установка, позволяющая исследовать кластеры (скопления) атомов. Крото, Смолли и их соавтор Роберт Кёрл решили попробовать, не получится ли на этой установке что-нибудь похожее на результаты «звёздных» наблюдений. Взяли графит — всем известный материал карандашного грифеля. Испарили его с помощью лазера, охладили пары и проанализировали. Исследование казалось рядовым, никто и представить не мог, что эти дни изменят не только современную астрономию, но и физику, химию, науку о материалах и даже медицину.

Чтобы понять, какова связь между этими историями и при чём тут фуллерены, понадобится немножко химии и даже математики.

Что можно построить из углерода?

Жизнь на Земле устроена так, что главный химический элемент в ней — углерод. Именно он — основа всех биологических молекул. Но в них есть и другие атомы — водород, кислород, азот. А вот какими могут быть структуры, где нет ничего, кроме углерода?

Издавна известны две кристаллические формы углерода — алмаз и графит. В кристаллах алмаза (рис. 1) каждый атом образует одинаковые связи с четырьмя соседями, и получается очень твёрдая и устойчивая структура. В графите (рис. 2) атомы расположены слоями, слабо связанными между собой. Поэтому-то мы и можем писать графитовыми карандашами — при нажатии часть слоёв остаётся на бумаге.

Оказывается, есть и другие формы углерода. В 60-е годы XX века химики получили карбин — в нём углеродные атомы располагаются в виде линейных цепочек. Примерно тогда же был открыт лонсдейлит — немного изменённый алмаз. А вот отдельная молекула из нескольких десятков атомов углерода казалась продуктом фантазии.

Правда, у некоторых учёных эти фантазии всё же возникали. Ещё в 70-е годы XX века японский исследователь Осава предсказал, что такие молекулы возможны. Но его статью (на японском!) не прочли ни в Европе, ни в Америке. А советские учёные провели теоретические расчёты для воображаемой молекулы из 60 атомов — но статья на русском языке вновь не привлекла внимания. И сейчас споры «кто был первым» так же абстрактны, как споры об открытии Америки: всё равно для европейцев её открыл Колумб, а фуллереновый «материк» для нас открыли Крото, Смолли и Кёрл.

Поставив эксперимент, эти учёные обнаружили, что из паров графита в небольших количествах образуются неизвестные вещества. В основном — вещество, молекула которого состоит (это легко установить) ровно из 60 атомов углерода. Но не было прямых данных о том, как устроена эта молекула. Её надо было придумать.

Молекула из 60 атомов — хоть и самый известный, но не единственный фуллерен. Есть целое семейство похожих молекул. Уже в первых опытах было обнаружено и вещество, молекула которого состоит из 70 атомов углерода. Зная про футбольный мяч, придумать возможные варианты здесь было уже проще: достаточно вставить по экватору «поясок» из 10 дополнительных атомов. Только мяч выйдет немного вытянутым — как для регби (рис. 4).

Дальше дело пошло быстро. Через пять лет после открытия фуллеренов их научились получать в достаточно больших количествах — несколько граммов. Открыли фуллерены с самыми разными количествами атомов углерода. Исследовали их свойства. Нашли их следы в природе — оказывается, они образуются при горении природного газа и разрядах молний. И, наконец, круг замкнулся — фуллерены, открытие которых началось с космических исследований, действительно были обнаружены и в космосе.

Фуллерены как многогранники

Не только химики, но и математики любят фуллерены — это примеры красивых многогранников, для которых можно делать разные расчёты. Для математика молекула бакминстерфуллерена — это усечённый икосаэдр (рис. 5), грани которого — правильные пятиугольники и почти правильные шестиугольники. Из каждой из 60 вершин выходит по три ребра, поэтому общее число рёбер — 60 · 3/2 = 90. А число граней можно найти по формуле Эйлера В − Р + Г = 2, где В, Р и Г — соответственно числа вершин, рёбер и граней. Получаем 32 грани, из них 12 пятиугольников и 20 шестиугольников.

У других фуллеренов в каждой вершине тоже сходится по три ребра и тоже есть только пятиугольные и шестиугольные грани. Но может быть другое число вершин — поэтому будут другие числа рёбер и граней. Однако можно доказать, что пятиугольных граней всегда будет ровно 12 — попробуйте это сделать.

Самый «маленький» фуллерен содержит 20 атомов углерода и имеет форму додекаэдра, то есть у него только пятиугольные грани. Правда, такая молекула химически малоустойчива и в природе не встречается. Фуллеренов из нечётного числа атомов не существует (подумайте, почему). Оказывается, нет и фуллеренов из 22 атомов. Из 24 атомов — всего один, из 26 — тоже один. А дальше их число растёт очень быстро: ведь пятиугольные и шестиугольные грани могут располагаться как угодно, не обязательно симметрично. Компьютерные расчёты дают, например, 40 вариантов для 40 атомов, 1812 для 60 атомов и почти 300 тысяч для 100 атомов. Конечно, далеко не все эти молекулы получены химиками, да это и не нужно.

Другие формы

Почему бы не попытаться делать молекулы не в виде шариков, а виде длинных трубок из шестиугольников? Такие структуры назвали нанотрубками. «Нано-» — потому что их диаметр порядка нанометра, то есть одной миллиардной доли метра. А вот длина может быть очень большой, до миллиметров и даже сантиметров.

Дальше — больше. Трубки можно вкладывать друг в друга — тогда говорят о многостенных нанотрубках типа «матрёшек». Можно сделать многостенную трубку и по-другому — в форме свитка. Можно снаружи насадить шарик-фуллерен на стенку трубки — такой вырост называют почкой, а можно вложить несколько молекул фуллеренов внутрь трубки, и эта структура, конечно, называется стручком. Можно поместить один фуллереновый шарик внутрь другого и третьего — это нанолуковица. Можно внутри шарика или трубки расположить «начинку» из других атомов (это, в частности, очень важно для медиков, так как помогает доставлять лекарственную начинку в нужное место организма). И чем дальше, тем больше идей.

А если представить себе нанотрубку, которую разрезали вдоль стенки и расправили на плоскости? Получится структура из шестиугольников, похожая на один слой атомов в графите. Такой материал из одного «графитового» слоя существует, он был открыт не так давно и назван графеном. Но это уже другая история.

Это всё хорошо, а где же польза?

Добавки фуллеренов в чугун, сталь, полупроводники, керамику, полимеры улучшают характеристики этих материалов или придают им новые свойства. Постоянно появляются публикации о возможностях применения фуллеренов в медицине — от ранозаживляющих повязок до средств против СПИДа и опухолей (но, к сожалению, пока мы далеко не всё знаем об их воздействии на организм и о возможных рисках). А если говорить про нанотрубки, то это прежде всего сверхпрочные микроскопические стержни и нити. Вполне возможно, что когда-нибудь из них удастся сделать трос толщиной в волос, который будет удерживать груз в сотни килограммов. Есть и другие удивительные свойства: например, из нанотрубок создано самое чёрное из известных веществ — оно поглощает свет эффективнее, чем самый чёрный уголь. Уже сейчас нанотрубки включаются в состав сложнейших научных приборов, используются в микроэлектронике. Ежегодно появляются сотни изобретений и патентов.

Но технологии получения фуллеренов далеки от идеала. Так что пока фуллерены и нанотрубки в основном остаются материалами будущего, и хоть оно уже не за горами, самые интересные находки ещё впереди.

Художник Мария Усеинова

1. Почему в молекуле фуллерена всегда 12 пятиугольных граней?

2. Почему в молекуле фуллерена может быть только чётное число атомов?

Так как в каждой вершине сходятся три ребра, утроенное число вершин равно удвоенному числу рёбер, то есть чётно. Но тогда и само число вершин чётно.

* Говорят, что И. В. Станкевич — один из учёных, проводивших в 70-е годы XX века расчёты этой молекулы, — предсказал её из своих соображений: «22 здоровых мужика часами пинают футбольный мяч, и с ним ничего не делается. Молекула такой формы должна быть очень крепкой».

Источник

Фуллерены: квинтэссенция здоровья

Первой кто доказал, что особые свойства шунгита связаны с наличием фуллеренов, стала группа Григория Андриевского, работающая в Институте терапии Академии медицинских наук Украины. Когда работа над этой книгой уже подходила к концу, мне удалось встретиться с Григорием Андриевским в офисе фирмы «Викол» лично и задать ему все возникшие у меня вопросы.

— Григорий Владимирович! Среди специалистов по биомедицинским свойствам фуллеренов Вы считаетесь живым классиком. Впервые полученные и изученные Вами водные растворы фуллеренов в научном обиходе называют «растворами Андриевского». Поэтому позвольте начать с классического вопроса: как Вы пришли в науку и как начинались Ваши исследования?

— Какие из известных препаратов можно отнести к антиоксидантам?

— Но при чем тут Фуллерены?

— А при том, что среди антиоксидантов, известных к настоящему моменту, Фуллерены, точнее, их водные растворы являются самыми мощными, хотя механизмы их действия принципиально иные, чем у обычных антиоксидантов. Они действуют даже в сверхмалых дозах, а их действие даже после однократного приема длится месяцами.

— Как же удалось опередить американцев в области, за которую они получили Нобелевскую премию?

— В результате чего растворы синтетических фуллеренов в воде назвали «растворами Андриевского»?

— Григорий Владимирович! Так в чем существо Ваших открытий? Как действуют и что лечат Фуллерены?

— Прежде чем ответить на вопрос, остужу слишком горячий энтузиазм, в данном случае это не помешает.

Поскольку после Нобелевской премии тема фуллеренов и без того стала слишком модной, а наша беседа станет достоянием гласности, я хотел бы еще раз напомнить: официальная клиническая апробация наших препаратов на основе фуллеренов не завершена.

Пока шли только опыты на добровольцах, включая меня самого. Поэтому не следует подогревать ажиотаж и внушать несбыточные надежды больным. Да, у нас есть многообещающие результаты фундаментальных исследований, полученные в основном на животных и клеточных культурах. Но, пока препараты и методики не прошли проверки и апробации в установленном порядке, мы не имеем ни морального, ни иного права называть их лекарственными препаратами и лечебными методиками.

Во-вторых, они нормализуют клеточный обмен веществ, усиливают активность ферментов и повышают устойчивость клетки, включая ее генетический аппарат, к внешним воздействиям, от нагрева до вирусного заражения. Повышается регенеративная способность тканей.

В-третьих, Фуллерены нормализуют нервные процессы, влияя на обмен нейромедиаторов, повышая работоспособность и устойчивость к стрессу.

Кроме того, Фуллерены имеют выраженное противовоспалительное и антигистаминное действие, благодаря чему снимают боли, подавляют широкий круг аллергических заболеваний и повышают иммунитет.

— А откуда же берутся в организме свободные радикалы?

— Свободные радикалы образуются при самых различных процессах: под действием радиации, при горении, под

действием озона и других окислителей, включая и кислород воздуха. Возникают они и внутри живой клетки, особенно если клеточный обмен веществ расстроен. Например, твердо установлено, что воспалительные процессы сопровождаются значительным ростом уровня свободных радикалов. Резко повышено количество свободных радикалов и в опухолевых тканях.

Вот, например, почему антиоксиданты в качестве радиозащитных средств действуют не только во время облучения, но и после него, когда свободные радикалы, возникшие в ходе облучения, уже сделали свое черное дело.

— Кстати, чем же Фуллерены настолько лучше других антиоксидантов, что Вы бросили всё и занимаетесь только Фуллеренами?

— А что бы сделали Вы, получив стальной топор вместо каменного?

— Насколько быстро Фуллерен выводится из организма? Какова его фармакокинетика?

— Включая ожоговую интоксикацию? Вы хотите сказать, что внутренние токсины, возникающие при ожогах и других некротических процессах, имеют свободнорадикальную природу?

— Именно. Мы проводили эксперименты на животных по ожоговому стрессу, и все закономерности действия фуллеренов сохраняются и тут. Интоксикация снижается, заживление ускоряется.

— А лучевые ожоги и лучевая болезнь? Изучались ли радиозащитные свойства фуллеренов?

— Значит, Фуллерены все же обладают радиопротекторными свойствами?

— Вы сказали, что Фуллерены существенно повышают жизнестойкость, включая иммунитет и другие показатели, определяющие «биологический возраст» организма и его систем. Не пытались ли Вы хотя бы приблизительно оценить, насколько Фуллерены продлят средний срок жизни при их систематическом применении?

Это хорошо вписывается в гипотезу, считающую Фуллерены той первичной углеродной матрицей, на основе которой возникла сама жизнь.

За сотни миллионов лет благодаря своей химической инертности Фуллерены могли накопиться сначала в Океане, а потом и в живой материи. Возможно, именно так Фуллерены вошли в состав шунгита, возникшего из донных биогенных осадков свыше двух миллиардов лет назад.

В те времена Фуллерены были, судя по всему, широко распространены и входили в состав живой материи. Позже, когда растения изменили состав первичной земной атмосферы, заменив углекислый газ кислородом, образование фуллеренов при грозовых разрядах прекратилось, и они исчезли из окружающей среды, поскольку живая материя могла Фуллерены накапливать и использовать, но не синтезировать.

Таким образом, в «первичном бульоне», в котором возникла жизнь, вполне могли быть заметные количества фуллеренов, игравшие значительную роль в обмене веществ древнейших организмов. Но позже Фуллерены исчезли из природной среды, оставшись, пожалуй, только в шунгите как своего рода «геологических консервах».

Изучая Фуллерены, не устаешь удивляться тому, насколько естественно они вписываются в физиологию клетки. Похоже, что мы имеем дело со скрытой потребностью живых организмов в Фуллеренах, заложенной на ранних этапах эволюции, когда Фуллерены были широко распространены в природе.

Мы уже говорили, что Фуллерены растворяются в воде с большим трудом. Зато если они растворены, вокруг каждого шара образуется многослойная оболочка из правильно расположенных молекул воды, примерно в десять молекулярных слоев. Эта водяная, иначе говоря гидратная, оболочка молекулы Фуллерена и есть структурированная вода.

Таким образом, Фуллерен структурирует в сотни раз большую массу воды. Иначе говоря, что уже сотые доли процента Фуллерена способны структурировать значительную долю раствора. Видите? Фуллерен и здесь действует в малых и сверхмалых дозах.

По своим свойствам структурированная вода, окружающая молекулу Фуллерена, существенно отличается от обычной.

Например, рассчитано, что на одно звено двойной спирали ДНК приходится 24 молекулы структурированной воды. В непосредственной близости от молекулы Фуллерена находятся 22 молекулы воды. И сегодня биохимики все больше убеждаются, что физиологическое состояние клеточных структур во многом зависит от состояния этой водной оболочки биомолекул и их активных центров. И Фуллерены, структурируя воду, стабилизируют и защищают окружающие биомолекулы, что также подтверждено экспериментально.

— В чем это проявляется и насколько?

— А на уровне целого организма это проявляется?

— Фуллерены повышают тепловую устойчивость всего организма, в том числе и млекопитающих. Так что прием фуллеренов в числе прочего повысит Ваши шансы на выживание в пустыне.

— И появится новый вид допинга в беге и велосипедных гонках?

— Возможно. Поле деятельности тут поистине безгранично. Работы по фуллеренам быстро расширяются.

Помимо нас сегодня эксперименты с фуллеренами ведутся в МГУ, Институте иммунологии и других научных центрах мирового уровня.

— Каковы Ваши ближайшие планы?

— Они достаточно очевидны. Первый этап фундаментальных исследователей закончен. Настает этап внедрения разработанных нами препаратов в широкую медицинскую практику. Собственно, ради этого все и начиналось.

Источник