Фуллерены – красота, которая спасет мир
Человек должен защищать свой дом от дождя и холода; свой сад от вредителей; воздух от выхлопных газов; воду от примесей, попадающих от вредных производств, то есть, человек, живя в окружающей его среде, должен защищать среду его обитания от творения рук своих, от «себя самого». Кто же спасёт человека? Красота? По мнению ученых, есть некий её вид, который может облегчить наше существование. Это красота многоатомных молекул углерода, получивших название «фуллерены».
Фуллерены – это необычные молекулы, напоминающие по форме футбольный мяч. Как и мяч, они полые внутри и их даже хотели назвать «футболены», но поиграть в футбол фуллереном невозможно, так как его размер – 1 нанометр, то есть одна миллиардная часть метра.
Это открытие было сделано случайно, но хорошо известно, что счастливый случай падает на подготовленную почву. Учёные, открывшие новые соединения углерода, в этом смысле не являются исключением. Фуллерены – четвёртая, ранее неизвестная, модификация углерода (первые три – это графит, алмаз, карбон). Она была открыта в 1985 году, причем совершенно случайно. Английский химик и астрофизик Харолд Крото, изучая межзвёздную пыль, заинтересовался имевшимися там углеродными частицами.
Испытывая трудности в их анализе, он обратился за помощью к американским коллегам Роберту Керлу и Ричарду Смолли, которые занимались испарением веществ с помощью лазера. Все трое с энтузиазмом взялись за дело. Испаряя графит для получения искомых частиц, они с удивлением обнаружили в остатках неизвестные молекулы углерода, похожие на футбольный мяч. Харолду Крото, инициатору свей этой истории, оболочка новой молекулы напомнила знаменитое произведение американского архитектора – геодезический купол американского павильона на всемирной выставке ЭКСПО-67. Крото и предложил назвать новые частицы в честь Фуллера. Так появилось слово «фуллерены». Строение фуллеренов в виде многогранников было гипотезой. Но, как сказал Г. Крото в своей Нобелевской лекции, «такая молекула настолько прекрасна, что она должна быть правильной».
Исследователи сразу же послали сообщение о своём открытии в журнал «Nature».
Открытие новых молекул вызвало невероятный интерес к их дальнейшим исследованиям. Разразился «фуллереновый бум», который привёл к созданию нанотехнологий, а с их помощью – к разработке невиданных ранее материалов и соединений, предназначенных для разных областей науки, техники, медицины и фармакологии.
В 1996 году Р. Керл, Х. Крото, Р. Смолли за открытие фуллеренов получили Нобелевскую премию в области химии. Фуллерены произвели настоящую революцию! И, хотя пока её результаты заметны только в науке и технике, не за горами переворот и в медицине.
Революция заключается в качественном скачке от микро…, миллионной части метра, к нано…, его миллиардной части. Перед нами открываются перспективы получения новых веществ с помощью нанотехнологий и, конечно же, появление наномедицины («нано» в переводе означает «карлик»). Возможно, слово «наномедицина» ещё не встретишь в словарях, но эта отрасль уже заявила право на существование.
Маленькое, но точное:
Рассмотрим свойства фуллеренов с точки зрения применения в медицине.
Одно из самых замечательных свойств этих веществ – то, что они способны создавать водные растворы. Встроив самый устойчивый из фуллеренов (он называется С60) в молекулу воды, учёным удалось создать водную среду, очень похожую на среду в здоровых клетках организма. Вода со встроенным фуллереном нейтрализует свободные радикалы, то есть является антиоксидантом. Свободные радикалы – причина возникновения множества болезней. Эти молекулы, образующиеся в нашем организме, повреждают хромосомы и приводят к старению клеток, раковым заболеваниям, снижению иммунитета. Им противостоят антиоксиданты – полезные вещества, которые соединяются со свободными радикалами и предотвращают их разрушительное действие.
Обычные антиоксиданты – вещества штучные, одноразового действия. Скажем, молекула витамина, соединяясь со свободным радикалом, образует безвредное соединение и выбывает из игры. На один радикал одна молекула? Не густо! А фуллереновый мячик – долгоиграющий: он остаётся в игре всё время, обладая магическим свойством притягивать к себе свободные радикалы. Кроме этого, такие «прилипшие» радикалы соединяются между собой и образуют безвредные вещества. Благодаря присутствию фуллерена этот процесс невероятно ускоряется, и тогда злосчастные радикалы массами выбывают из игры. Фуллереновые растворы во много раз эффективнее обычных антиоксидантов. Между тем исследователи говорят, что фуллерен – не лекарство в обычном смысле слова, так как лекарство способствует лечению определённой болезни, а растворы фуллерена действуют гораздо шире, в объёме всего организма.
Аллотропия
Явление аллотропии широко распространено в химии. Многие химические элементы существуют в разных аллотропных формах Так, например, кислород существует в двух модификациях: в виде молекул кислорода О2 и озона О3. Фуллерены – новая форма, и в отличие от других аллотропов углерода является МОЛЕКУЛЯРНОЙ формой существования углерода. Нельзя сказать: «молекула алмаза», «молекула графита», а молекула фуллерена – это то, что можно и надо. Обилие аллотропных форм у углерода объясняется уникальным строением атома углерода. Свойства любого атома определяются числом и характером ВНЕШНИХ электронов. У углерода их 4. Именно эти электроны участвуют в образовании химических связей.
Медицина с приставкой «нано»
Возможности этих наношариков поистине неисчерпаемы и не ограничиваются борьбой только со свободными радикалами. Фуллерены способны создавать целые комплекты биоактивных соединений. Заполнив полость фуллерена целительным веществом, можно этот шарик, как в лузу, загнать в необходимую точку. Такие фуллерены, шутливо названные фаршированными, могут быть использованы для доставки антибиотиков, витаминов и гормонов к больным клеткам. Особенно упорно ведутся работы по созданию фуллереновых препаратов для лечения болезней мозга. Впервые в мире фуллереновый антиоксидант для лечения повреждённых мозговых клеток синтезировали в Тель-Авивском университете. Его применение дало положительные результаты в экспериментах пока с животными. Предполагаются дальнейшие разработки этой методики для лечения рассеянного склероза и болезни Альцгеймера. Проводятся эксперименты с фуллеренами для доставки лекарств через кожу без применения уколов. Разрабатываются методы разрушения всемогущими фуллеренами геномов вирусов, проникающих в живую клетку. Перспективны работы по применению фуллеренов в качестве противоядия. Во всём мире ведутся исследования фуллереновых препаратов против раковых заболеваний и результаты вселяют надежду!
Интересный результат получен в сотрудничестве с киевскими и днепропетровскими специалистами, обнаружившими высокую эффективность использования растворов для борьбы с образованием тромбов в кровеносных сосудах, что важно, например, при лечении инсультов, тромбозов и т. п.
В настоящее время российские исследователи совместного с коллегами из Бостонского университета изучают антиаллергические свойства HyFn. В Пущино (Россия) проводятся эксперименты по поводу болезни Альцгеймера и других заболеваний нервных тканей. А ученые из Фиратского университета (Турция) исследуют возможность защиты с помощью HyFn потомства беременных животных с диабетической патологией. Более чем десятилетнее сотрудничество специалистов Украины с коллегами из ближнего и дальнего зарубежья показало, что водные растворы фуллеренов могут быть эффективны также при атеросклерозе, болезнях желудка, желчного и мочевого пузыря, поджелудочной железы, при ожогах. Они уменьшают период восстановления организма после хирургических вмешательств, эффективны при ЛОР-заболеваниях, обладают положительным влиянием на репродуктивные функции человека, эффективны при синдроме хронической усталости и так далее.
Жаль, что до окончательного триумфа живительных наношариков, не дожил один из их первооткрывателей – Ричард Смолли. Он скончался в 2005 году.
Исследования целительных углеродных образований продолжаются, хотя пока не вышли за пределы лабораторий.
Аспидный камень и фуллерены:
Выдающиеся открытия поначалу часто обрастают легендами, и кажется, будто они могут творить чудеса.
В России «фуллереновая лихорадка» началась в конце 90-х годов прошлого века. Она была связана с углеродистой сланцевой породой - шунгитом, залежи которого обнаружены в Карелии.
По одной из версий, советский геолог С. Ципурский, узнав об открытии фуллеренов, передал шунгит, который привёз из Карелии, для исследования в лабораторию Аризонского университета в Америке. О результатах этого исследования, проведённого с участием самого Ципурского, была опубликована статья в научном журнале в 1992 году. В ней говорилось, что в шунгите действительно обнаружено незначительное содержание фуллеренов. Это стало сенсацией, вызвавшей дальнейшее исследование шунгита в лечебных целях.
Впрочем, о целебных свойствах шунгита издавна ходили легенды. Этот сланец зловещего чёрного цвета в старину звался аспидным камнем. Потом он получил название «шунгит» - от карельской деревни Шуньга, где через залежи этой породы пробивался ключ с целебной водой. Местные старики говорили, шунгит от ста болячек исцелит. По преданию, здесь излечилась от многочисленных хворей боярыня Ксения Романова, сосланная в эти края Борисом Годуновым. Это была мать первого русского царя Михаила Фёдоровича. В память о ней чудодейственный источник был назван «Царевич ключ». Однако, после освобождения Ксении о нём забыли. Ксения Романова была прабабкой Петра первого и, вероятно, до него дошли семейные предания о целебных свойствах аспидного камня. Возможно, камень обладал к тому же и антисептическими свойствами. Так или иначе, но есть сведения, что Пётр повелел держать в солдатских ранцах аспидный камень и опускать его в котелки с водой, «дабы сохранить крепость живота своего». «Крепость живота» явно не смогли сохранить солдаты шведской армии, потерпевшие поражения в Полтавской битве: жарким летом 1709 года их изрядно потрепала разразившаяся тогда эпидемия дизентерии.
Шунгитовые породы применяются в строительстве и металлургии, а в последнее время шунгит с успехом используется в фильтрах для очистки воды.
Шунгит, содержащий богатый букет минеральных солей, действительно уникальное лечебное средство, но, причём тут фуллерены, целительные свойства которых ещё не ясны до конца и не проверены на практике? Да и есть ли они в шунгите?
В 2003 году, то есть через десять лет после первой сенсационной публикации, в журнале Американского геологического общества вышла статья, которая сообщала, что тщательные проверки не подтвердили наличия фуллеренов в шунгите. Кроме того, даже если бы они там были, целительный эффект создавал бы не сам камень, а его водный раствор.
Фуллерены-как матрица, на которой началась жизнь.
Обнаружение фуллеренов в естественных минералах затронуло и такую науку как естествознание с его вечным вопросом: как возникла жизнь на Земле из неорганической материи? Возможно, изучение свойств фуллеренов позволит получить новые сведения о возникновении и эволюции Вселенной. Ведь фуллерены можно рассматривать как переходную форму от неорганической материи к органической. Появилась гипотеза, что фуллерены могли быть той матрицей, которая собирала (адсорбировала) на своей поверхности простейшие неорганические молекулы (воды, углекислого газа, аммиака и др.), которые превращались в органические соединения, например, в аминокислоты. А затем на матрице происходило их дальнейшее усложнение.
Фуллерены существуют в природе повсюду, где есть углерод и высокие энергии (вулканы, молнии), их каркас состоит из атомов углерода, который обладает высокой адсорбционной способностью. Углерод является основой жизни, так как все органические соединения являются производными углерода. Гипотеза о фуллеренах, как матрицы, на которой началась жизнь, требует экспериментального подтверждения.
Органическая электроника:
Учёные Технологического Института Джорджии (Georgia Institute of Technology) в результате проведённых исследований, создали матрицу быстродействующих полевых транзисторов на основе фуллеренов С60.
Профессор Bernard Kippelen отметил, что органические полупроводники – абсолютно новый, современный и очень перспективный материал в наноэлектронике.
Область применения органической наноэлектроники огромна: от дисплеев и активных электронных бигбордов, до RFID-меток и гибких компьютеров.
Нанокосметика
Нанотехнологии ещё только изучаются, но уже появилась целая линия косметических товаров, использующих замечательные свойства фуллеренов. На упаковках таких средств обычно пишут: «содержит фуллерены» или «содержит С60» (это самая устойчивая молекула из этой группы). Производители утверждают, что кремы с фуллеренами ощутимо улучшают состояние зрелой кожи, замедляют процесс старения, поддерживают упругость и свежесть лица.
Наномедицина совершенно новое направление в борьбе с болезнями. И, несмотря на то, что её идеи и проекты находятся ещё на стадии лабораторных исследований, нет сомнений, что наномедицине принадлежит будущее.
Крысы-долгожители В 2012 году увидела свет публикация, которая привлекла внимание геронтологов — специалистов, работающих над проблемами старения. В этой работе Тарек Баати и соавторы продемонстрировали впечатляющие результаты — крысы, которых кормили суспензией фуллеренов в оливковом масле, жили вдвое дольше обычных, и, к тому же, демонстрировали повышенную устойчивость к действию токсических факторов (таких как четыреххлористый углерод). Токсичность этого соединения обусловлена его способностью генерировать активные формы кислорода (АФК), а значит, биологические эффекты фуллеренов, скорее всего, можно объяснить их антиоксидантными свойствами (способностью «перехватывать» и дезактивировать АФК). — Подробно об этом «биомолекула» уже рассказывала: «Алхимия „волшебной сажи“ — перспективы применения фуллерена С60 в медицине». — Ред. Связь активных форм кислорода с процессами, происходящими при старении, в настоящее время уже практически не подвергается сомнению. С 60-х годов ХХ века, когда была сформулирована свободнорадикальная теория старения, и до настоящего времени объем данных, подтверждающих такую точку зрения, только накапливается. Однако до сих пор ни один антиоксидант — ни природный, ни синтетический — не давал столь поразительного увеличения продолжительности жизни экспериментальных животных, как в опытах Баати и коллег. Даже специально сконструированные коллективом под руководством академика Скулачева антиоксиданты «адресного действия» — так называемые «ионы Скулачева», или соединения ряда SkQ, — демонстрировали менее значительные эффекты. Эти вещества представляют собой липофильные положительно заряженные молекулы с присоединенным антиоксидантным «хвостом», которые благодаря своей структуре способны накапливаться в митохондриях (именно в этих органоидах эукариотических клеток происходит генерация активных форм кислорода). Однако соединения ряда SkQ продлевали жизнь подопытных мышей в среднем всего на 30%. ...
Слева — мышь, старение которой замедлено благодаря приему «ионов Скулачева», справа — мышь из контрольной группы.... Читайте дальше на Биомолекуле
Фуллерены и нанотехнолгии
Открытие фуллеренов внесло мощную струю в новое направление технологии, называемое нанотехнологией. Приставка «нано» в переводе с греческого означает «карлик». Нанотехнология – это научное направление, которое изучает свойства и закономерности поведения частиц, имеющих хотя бы в одном измерении менее 1 нанометра. (Нанометр – это одна миллиардная часть метра). Диаметр молекулы фуллерена составляет 0.7 нм. Из-за малого размера и уникальных свойств фуллерены стали визитной карточкой нанотехнологий.
В 1991 г. японский ученый Суимо Иджима открыл новые наночастицы, тесно связанные с фуллеренами. Они получили название углеродные нанотрубки. Такие трубки представляют собой графитовую плоскость, свёрнутую в виде цилиндра, закрытые с концов полусферами фуллерена С60 .Углеродные нанотрубки обладают уникальными свойствами: они являются хорошими проводниками тока и тепла. Волокна, созданные на основе нанотрубок, несмотря на их кажущуюся ажурность, обладают уникальной прочностью: в 10 раз прочнее стали и в 6 раз легче стали.
Удивительная прочность нанотрубок вернула учёных к идее создания космического лифта, ранее считавшейся неосуществимой из-за отсутствия подходящих материалов. Новая проработка этой идеи сделана Юрием Арцутановым. По его теоретическим расчётам углеродные нанотрубки являются подходящим материалом для создания троса, с помощью которого можно будет доставлять грузы на орбиту, заменив ракеты. Создание космического лифта оценивается в 7-12 млрд. долл. США. Управление НАСА уже финансирует разработки в этом направлении.
Заключение
Открытые сравнительно недавно фуллерены и углеродные нанотрубки обладают такими свойствами, которые позволят человечеству на их основе создать новые материалы и аппараты, и сделают нашу жизнь более приятной и защищённой. Многое ещё не исследовано, и сейчас трудно предвидеть все возможные применения этих необычных материалов в практической деятельности.
Молекулы фуллеренов и углеродных трубок необыкновенно красивы. Может быть их «красота спасёт мир»? Углерод – основа жизни и вполне вероятно, что «углеродные шарики» и «трубочки», обладая невероятными свойствами, помогут людям в борьбе с болезнями и другими проблемами и жизнь на Земле станет более безопасной, комфортной и радостной
Литература
, . Фуллерены и структуры углерода Нина Пржиялговская. Фуллерены – сенсационное научное открытие XX века. Фуллерены и перспективы их применение в биологии и медицине.
www. goldenline4u. ru/index. php
Углеродные нанотрубки: свойства и применение.2008 www. nanometer. ru/2008/04/18/karbododekaedr_42038.html Фуллерены — время больших ожиданий
http://www. nanoware. ru/fullereny-vremya-bolshix-ozhidanij. html
