Гідратований фулерен

Гідратований фулерен, що має розміри від 3нм до 36нм і складається з ядра, яким є електрично заряджений фулерен, і оболонки, що містить молекули води, який відрізняється тим, що є двофазною системою, що складається з фулерену і води, має загальну формулу виду 2n- (H O ) ù , де C 2n- - електрично заряéC 2 nú N ê N ë û Корисна модель відноситься до області нанотехнологій і одержання синтетичних наноструктурних форм вуглецю, конкретно таких, які містять фулерени та інші структурні елементи нанометрових розмірів, що може служити основою для подальшого функціонального використання отриманих матеріалів в хімічних технологіях, а також в галузях електроніки, нелінійної оптики, фармації та ін. Водорозчинні фулерени є багатообіцяючими матеріалами для використання в медицині і косметології в якості антиоксидантів через очікувану ефективність захоплення ними вільних радикалів різного походження. Це обумовлює особливий інтерес до доступних і простих методів синтезу водорозчинних фулеренів в промисловому масштабі. Відомі фулерени С60 и С70 з розмірами менше 220нм [Andrievsky G. V. et al. On the Production of an Aqueous Colloidal Solution of Fullerenes, J. Chem. Soc, Chem. Commun., 1995, p.1281-1282]. Вони стабільні в розчинах і можуть бути використані при біохімічних і біофізичних дослідженнях, проте чистота фулеренів і концентрація розчинів з ними є недостатніми для виготовлення на їх основі препаратів. Відомі фулерени С 30-С100, що містять включення парамагнітних металів і покриті водорозчинними полісахаридами [Патент JP №143478, МПК А 61 До 49/00, 1996]. Подібні частинки можуть засто совува тися в біохімії і при виготовленні фармацевтичних препаратів. Проте розчини, що містять такі кристалоподобні частинки, мають недостатню стабільність, що обмежує їх використання. Відомі гідратовані фулерени, мінімальний розмір кластерних частинок яких складає 3нм, а самі частинки є агрегати, що складаються з 13 молекул фулерену С 60 , причому кожна з них оточена 20-24 молекулами Н2О [G. V. Andrievsky, V. K. Klochkov, L.I. Derevyanchenko. FWS - Molecularcolloid systems of hydrated fullerenes and their fractal clusters in water solutions. The Electrochemical Society Interface (195-th Meeting, Ma y 2-6, 1999, Seattle, Washington) Spring 1999, Abs# 710]. Недоліком відомих гідратованих фулеренів є недостатньо висока стабільність розчинів на їх основі, що безпосередньо залежить від іонного складу таких розчинів. Відомі гідратовані фулерени з різним складом і структурою, наприклад, C60 (OH )36 × 8H2O і [див. Метод синтеза хорошо растворимых в воде фуллеренов, гидроксилированных более чем на половину. Facile Synthesis of Highly Water-Soluble Fullerenes More Than HalfCovered by Hydroxyl Groups. Kokubo K.; Matsubayashi K.; Tategaki H.; Takada H.; Oshima T. ACS Nano; 2008; 2(2); 327-333]. На поверхні фулеренів окрім молекул води присутні різного роду (13) 34568 (11) UA (19) C60 (OH )40 × 9H2O U джений фулерен, Н2О - молекула води, N - число атомів вуглецю, n - кількість молекул води в оболонці, при цьому молекули води з'єднані з фулереном за рахунок кулонівських сил, що виникають між атомом водню молекули води і зарядженою поверхнею фулерену, а електрично заряджений фулерен отримують диспергуванням вуглецевмісних гранул імпульсами електричного струму у воді. 3 34568 кисневмісні групи - карбонільні, карбоксильні, пероксидні, проте визначальними є гідроксильні групи (ОН). Крім того, в розчині містяться іони Na+, оскільки первинним джерелом гідроксильних гр уп виступає NaOH. Це знижує стабільність, викликає злипання наночастинок за рахунок посилення міжмолекулярної взаємодії. Найбільш близькими до пропонованих є гідратовані фулерени, які є супрамолекулярним комплексом з розмірами від 3нм до 36нм із загальною формулою mCN @ìm(OH)- nH2O ü Km H+, де N ³ 60, (m + n) ³ 20, m > 1, n > 1 , í ý î þ в якому, щонайменше, частина протиіонів Н + заміщена іонами металів, причому заміщена в такому ступені, при якому концентрація іонів металів в розчині такого комплексу не перевищує порогу коагуляції наночастинок. В цілому, фулерени є кулястими сітчастими порожнистими молекулами, в яких число атомів вуглецю (N) може бути різним, починаючи з 60. Символ @ у формулі означає, що сферична молекула фулерену CN оточена сферичною сіткою, що складається з адсорбованих молекул води, з'єднаних між собою водневими зв'язками. Чим більше N, тим більше кількість молекул води буде адсорбована на поверхні молекули фулерену. Гідратовані фулерени мають в своєму складі гідроксидні групи (ОН)-, які безпосередньо з'єднані з поверхнею фулеренів, а протиіони Н + з'єднані з нею слабкіше і тому здатні заміщатися на іони металів [Патент России №2213692. Водный молекулярноколлоидный раствор, по меньшей мере, одного гидратированного фуллерена. МПК7 С01В31/02. Опубл. 2003.10.10]. Недоліком відомих гідратованих фулеренів є те, що вони є багатофазними системами, в зовнішніх оболонках яких окрім молекул води містяться інші хімічні речовини. Це знижує екологічну чистоту гідратованих фулеренів. Зокрема, в зовнішній сфері гідратованих фулеренів містяться іони металів. Сучасні наукові дослідження показали, що препарати на основі наночастинок металів набагато менш токсичні, в порівнянні з іонною формою металів. Так, наприклад наночастинки міді в 7 разів менш токсичні, наночастинки цинку в 30 разів менш токсичні, наночастинки заліза в 40 разів менш токсичні [див. Арсентьева И. П. Использование биологических активных препаратов на основе наночастиц металлов в медицине и сельском хозяйстве. Доклад на совещании: «Индустрия наносистем и материалы: оценка нынешнего состояния и перспективы развития». Москва, Центр «Открытая экономика», Опубл. 07.02.2006, http://www.strf.ru/client/doctrine.aspx]. Оскільки гідратування полягає в тому, що під дією ультразвуку здійснюється переведення фулеренів, отриманих відомими технологіями, з розчину фулеренів в органічному розчиннику у водне середовище, то важко забезпечити повну заміну органічних молекул молекулами води. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення екологічної чистоти гідратованих фулеренів. Це досягається в одностадійному процесі одночасно з отриманням фулеренів. 4 Запропонований, як і відомий гідратований фулерен має розміри від 3нм до 36нм, складається з ядра, яким є електрично заряджений фулерен, і оболонки, що містить молекули води, і, відповідно до цієї пропозиції, є двофазною системою, що складається з фулерену і води, має загальну формулу виду éCN2n - (H2O )n ù , де CN2n- - електриê ú ë û чно заряджений фулерен, Н2О - молекула води, N - число атомів вуглецю, n - кількість молекул води в оболонці, при цьому молекули води з'єднані з фулереном за рахунок кулонівських сил, що виникають між атомом водню молекули води і зарядженою поверхнею фулерену, а електрично заряджений фулерен отримують диспергуванням вуглецьвмісних гранул імпульсами електричного струму у воді. Гідратований фулерен є двофазною системою, що складається з фулерену і води. Це підвищує екологічну чистоту гідратованого фулерену, оскільки в ньому немає фази, що містить токсичні або небажані хімічні реагенти. Гідратований фулерен має загальну формулу виду éC N2n - (H2O )n ù , де CN2n- - електрично заряê ú ë û джений фулерен, Н2О - молекула води, N - число атомів вуглецю, n - кількість молекул води в оболонці. У даній формулі CN - фулерен, Н2О - молекула ліганду. Кількість молекул води n - ціле число, відповідне електричному заряду фулерена. CN2n- - електрично заряджений фулерен з електричним зарядом 2n - на своїй поверхні. Значення числа n визначається величиною поверхневого заряду фулерена, тобто задається кількістю пар електронів, що знаходяться на його поверхні. Це підвищує екологічну чистоту гідратованого фулерена, оскільки в його зовнішній оболонці немає молекул токсичних або небажаних хімічних речовин. Молекули води з'єднані з фулереном за рахунок кулонівських сил, що виникають між атомом водню молекули води і зарядженою поверхнею фулерена. Це підвищує стійкість гідратованого фулерен без застосування додаткових речовинстабілізаторів. Електрично заряджений фулерен отримують диспергуванням вуглецьвмісних гранул імпульсами електричного струму у воді [див. патент України на корисну модель №29855. Спосіб отримання негативно заряджених наночастинок "ерозійновибухова нанотехнологія отримання негативно заряджених наночастинок". МПК (2006) A61N 1/40, B01J13/00, H01J19/00 Опубл. 25.01.2008]. Це підвищує екологічну чистоту гідратованого фуллерена, оскільки при диспергуванні не використовуються ніяких інших речовин, окрім води. Гідратовані фулерени отримують таким чином. У реакційну зону робочої камери, що виготовлена з діелектричного матеріалу і містить електроди, завантажують гранули вуглецьвмісного матеріалу (наприклад, графіту), які розміщують рівномірним шаром на днищі камери. У розрядну камеру надходить вода в проточному режимі, яка покриває 5 34568 шар гранул. На електроди подають імпульси електричного струму. Гідратовані фулерени можуть бути о тримані способом і пристроєм, описаними в патентах України №29855 і №23551 [див. патент України на корисну модель №29855. Спосіб отримання негативно заряджених наночастинок "ерозійно-вибухова нанотехнологія отримання негативно заряджених наночастинок". МПК (2006) A61N1/40, B01J13/00, H01J19/00 Опубл. 25.01.2008; патент України №23551. Пристрій для ерозійно-вибухового диспергування металів. МПК B22F9/14 (2007.01). Опубл. 25.05.2007]. Під час проходження імпульсів електричного струму через ланцюжки, утворені гранулами, між окремими гранулами виникають електричні розряди. Локальні мікрооб'єми приповерхневого шару вуглецьвмісних гранул в зонах, прилеглих до точок контактів гранул і до ерозійних проміжків плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші наночастинки і пару. При цьому за рахунок ерозійно-вибухового характеру процесів здійснюється диспергування гранул з утворенням електрично заряджених фулеренів. При диспергуванні вуглецьвмісних гранул імпульсами електричного струму на гранула х виникають свіжоутворені поверхні, які володіють властивістю випускати потік електронів [див. Открытие №290 от 7 июня 1986г. Конюшая Ю.П. Открытия советских ученых. Часть 1. Физико-технические науки. Изд-во МГУ. 1988, с.372-374]. Емісія електронів є результатом високої щільності зарядів свіжоутворених поверхонь. При розділенні поверхонь під час руйнування матеріалу вуглецьвмісних гранул, здійснюється розділення різнойменних зарядів, що призводить до утворення в областях розривів речовини електричного поля напруженістю до 107В/см. Таке електричне поле вириває електрони з поверхні матеріалу. Це фізичне явище призводять до того, що наночастинки, знаходячись в потоках електронів, набувають поверхневого еле Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова 6 ктричного заряду. Оскільки молекули води є диполі, у яких заряди із знаком «плюс» розташовані на атомах водню, то вони за рахунок електростатичного поля обволікають електрично заряджені фулерени, утворюючи навколо них наногідратні оболонки. Молекули води утримуються навколо наночастинок за рахунок кулонівських сил, що виникають між атомам водню молекул води і зарядженою поверхнею наночастинки. Кожна пара електронів на поверхні наночастинки утримує одну молекулу води. Молекули води в наногідратних оболонках орієнтовані атомами водню до поверхні наночастинок, а атомами кисню на зовнішню поверхню наногідратної оболонки. Чим більший поверхневий заряд має наночастинка, тим щільніше наногідратна оболонка навколо наночастинки. При високій щільності поверхневого заряду наночастинок молекули води утворюють багатошарові наногідратні оболонки навколо наночастинок, що ще більше підвищує стійкість гідратованих фулеренів. Гідратовані фулерени складаються з наночастинок-ядер, оточених наногідратною оболонкою диполями води. Щільному оточенню наночастинок-ядер диполями води сприяє сферична форма наночастинок-ядер і рівномірний електричний заряд їх поверхні. За рахунок гідратування фулеренів диполями води наночастинки не потребують спеціальних речовин-стабілізаторів. Стійкість наногідратній оболонці додають кулонівські сили, що виникають між поверхнею заряджених наночастинок-ядер і диполями води. Це підвищує екологічну чистоту гідратованих фулеренів. Гідратовані фулерени накопичуються в рідині. Під дією електричних вибухів в рідкому середовищі виникають ультразвукові хвилі, які не допускають коагуляції фулеренів. Відведення фулеренвмісної маси із реакційної зони здійснюється потоком води, що проходить через робочу камеру. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601