Станут ли фуллерены
материалом 21 века?
Современные исследования открывают новые возможности уже знакомых природных материалов. Всем известны две формы углерода: мягкий графит и твердый алмаз. В 1985 году была обнаружена и синтезирована принципиально новая форма углерода – фуллерен. В Петербургском институте ядерной физики им. Б. П. Константинова ученые работают над поиском новых свойств фуллеренов в различных областях его использования. Широкие перспективы применения нового материала дают стимул к работе ученым в этом направлении. В их распоряжении имеются неплохо оборудованные лаборатории, предназначенные для данных исследований. Это позволяет им искать и находить более простой и экономически выгодный способ получения фуллеренов. В настоящее время свойства фуллеренов до конца еще не изучены. Практическое применение в быту требует предварительной экспериментальной проверки, и все это поэтапно делается сегодня.
Одним из таких центров в России стал ПИЯФ РАН, где в 1991 году началось
изучение фундаментальных, прикладных и препаративных (медикаментозных)
аспектов фуллеренов* и новых материалов на их основе. В настоящее время в ПИЯФ
имеется возможность получать высокочистые фуллерены в полупромышленных
масштабах. Особое внимание в последние годы в институте уделяется исследованиям
фуллеренов с радиоактивными изотопами, так как они представляются весьма
перспективными для
медико-биологических диагностических и терапевтических целей.
Ученые облучают фуллерены, используя для этого возможности реактора и обрабатывают полученные препараты в радиохимических лабораториях. Высококвалифицированные медики и биологи уже готовы применить эти препараты для медицинских целей. Небольшой экскурс в историю вопроса:оре после открытия новой разновидности углерода –фуллеренов, стало ясно, что они являются представителями еще более широкого класса новых углеродных структур. Важное значение для осознания широких возможностей практического использования новых фуллереновых структур было проведение многосторонних химических исследований свойств фуллеренов. Оказалось, что к фуллеренам может быть применен весь арсенал синтетической органической и металлоорганической химии. Такое разнообразие химии фуллеренов дало основание некоторым исследователям даже поставить вопрос «Станут ли фуллерены главным открытием 21-ого века?».
К настоящему времени применения фуллеренов и родственных им структур весьма разнообразны. В далеко не полном списке их потенциальных применений - алмазные технологии, СТЭЛС – технология, антивирусные препараты и препараты против СПИДа, материалы для хранения водорода, магнитные нанокомпозитные материалы для записи и хранения информации, препараты для магнитной (ЯМР) томографии, антиоксиданты, нелинейные оптические материалы для защиты высокочувствительных приемников света от лазерной атаки, биологически важные водорастворимые полимеры, высокотемпературные антифрикционные смазки и пр. Отдельно нужно отметить применение углеродных наноструктур для разработки мономолекулярной электроники. Уже создан экспериментальный транзистор на одной молекуле фуллерена С60 и полевой транзистор на одной углеродной нанотрубке.
Очевидность широких и скорых применений фуллереновых материалов способствовала тому, что ведущие развитые страны в последние годы направляют в эту область миллиардные инвестиции. Это прежде всего США, Япония, Южная Корея и Европейский Союз. Федеральный Резервный Банк США в Хьюстоне назвал в своем релизе Нанотехнологии и Биотехнологии в числе наиболее инвестиционно привлекателных направлении 21-ого века.
С момента открытия фуллеренов в 1985 году и последующего введения атомов металла внутрь их углеродного кэйджа (замкнутой углеродной сетки) значительный интерес сфокусирован на этих уникальных молекулах. Интенсивные исследования последнего времени значительно расширили наши знания о химических и биологических свойствах самых экзотических разновидностей фуллеренов.
Безусловно, что медицина является самым очевидным полем применения фуллеренов. Первый намек на то, что они могут иметь будущее в медицине, появился в 1993 году, когда было сообщено, что одно из органических производных фуллерена С60 обладает активностью против вируса СПИД'а. Сегодня перспективы использования фуллеренов в медицине значительно шире. По-видимому, важнейшим для медицинских приложений свойством фуллеренов является их способность действовать в качестве биологических антиоксидантов. Из-за большого количества сопряженных двойных связей в молекуле фуллерена, которые легко взаимодействуют со свободными радикалами, С60 может рассматриваться как своеобразная «губка, поглощающая свободные радикалы». В частности, фуллерен легко взаимодействует с -ООН (остаток перекиси водорода ) и, таким образом, блокирует его окислительное биологическое действие.
Другим важным применением фуллеренов является их использование в качестве агентов для т.н. фотодинамической терапии. Это новый метод лечения, использующий лазеры. С помощью С60 было проведено успешное лечение фибросаркомы на мышах.
Важно отметить, что до сих пор не было отмечено токсичности фуллеренов, хотя можно предположить, что токсичность будет зависеть от того, в виде какого производного фуллерен будет вводиться в организм.
Наиболее важным приложением нерадиоактивных фуллеренов является использование их как контрастирующих агентов в ЯМР-томографии. Этот метод в настоящее время широко используется и является основным в медицинской диагностике. В отличие от рентгеновской томографии он не связан с вредным действием излучения на организм.
Фуллерены весьма перспективны и для использования в ядерной медицине, диагностике, терапии рака и иммунотерапии.
Другой важной проблемой, при решении которой важно знать свойства радиоактивных фуллеренов, является проблема фиксации и захоронения радиоактивных отходов и связанная с её решением задача разработки новых материалов и технологий. Существует несколько направлений в комплексной переработке радиоактивных отходов, в которых фуллерены и родственные им материалы могут быть успешно использованы. Впереди у ученых большое поле деятельности для изучения разнообразных свойств фуллеренов и внедрение научно-обоснованных рекомендаций в повседневную жизнь. Пожелаем сотрудникам лаборатории химии и спектроскопии материалов отделения нейтронных исследований новых поисков, успешных результатов и творческих находок в Новом году.
* - фуллерен – новая форма углерода