Новейшие технологии водоснабжения и водоотведения

Физические свойства и  прикладное значение фуллеренов

Фуллериты

Конденсированные  системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого рода - кристалл С₆₀, менее - система кристаллического С₇₀. Исследованиях кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения. Атомы углерода в молекуле фуллерена связаны σ- и π- связями, в то время как химической связи (в обычном смысле этого слова) между отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. Поэтому в конденсированной системе отдельные молекулы сохраняют свою индивидуальность (что важно при рассмотрении электронной структуры кристалла). Молекулы удерживаются в кристалле силами Ван-дер-Ваальса, определяя в значительной мере макроскопические свойства твердого C₆₀.

При комнатных температурах кристалл С₆₀ имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку с постоянной 1.415 нм, но при понижении температуры происходит фазовый переход первого рода (Т_кр≈260 К) и кристалл С₆₀ меняет свою структуру на простую кубическую (постоянная решетки 1.411 нм)^[10]. При температуре Т >Т_кр молекулы С₆₀хаотично вращаются вокруг своего центра равновесия, а при ее снижении до критической две оси вращения замораживаются. Полное замораживание вращений происходит при 165 К. Кристаллическое строение С₇₀ при температурах порядка комнатной подробно исследовалось в работе^[11]. Как следует из результатов этой работы, кристаллы данного типа имеют объемно центрированную (ОЦК) решетку с небольшой примесью гексагональной фазы.

Нелинейные оптические свойства фуллеренов

Анализ электронной структуры  фуллеренов показывает наличие π-электронных систем, для которых имеются большие величины нелинейной восприимчивости. Фуллерены действительно обладают нелинейными оптическими свойствами. Однако из-за высокой симметрии молекулы С₆₀ генерация второй гармоники возможна только при внесении асимметрии в систему (например внешним электрическим полем). С практической точки зрения привлекательно высокое быстродействие (~250 пс), определяющее гашение генерации второй гармоники. Кроме того фуллерены С₆₀ способны генерировать и третью гармонику^[4].

Другой вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь, С₆₀ являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины волны 532 нм^[9]. Малое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности. Однако, по ряду причин фуллеренам трудно конкурировать здесь с традиционными материалами. Высокая стоимость, сложности с диспергированием фуллеренов в стеклах, способность быстро окисляться на воздухе, далеко не рекордные коэффициенты нелинейной восприимчивости, высокий порог ограничения оптического излучения (не пригодный для защиты глаз) создают серьезные трудности в борьбе с конкурирующими материалами.

Фуллерен в  качестве материала для полупроводниковой  техники

Молекулярный кристалл фуллерена  является полупроводником с запрещенной  зоной ~1.5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был  связан с вопросами использования  фуллеренов в качестве нового материала  для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и  т.п. Здесь их преимуществом по сравнению  с традиционным кремнием является малое  время фото отклика (единицы нс). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость пленок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента^[12].

Фуллерен как  фоторезист  ( полимерный светочувствительный материал)

Под действием видимого (> 2 эВ), ультрафиолетового и более  коротковолнового излучения фуллерены  полимеризуются и в таком виде не растворяются органическими растворителями. В качестве иллюстрации применения фуллеренового фоторезиста можно привести пример получения субмикронного разрешения (≈20 нм) при травлении электронным пучком кремния с использованием маски из полимеризованной пленки С₆₀^[9].

Фуллереновые  добавки для роста алмазных пленок методом CVD

Другой интересной возможностью практического применения является использование фуллереновых добавок  при росте алмазных пленок CVD-методом (ChemicalVaporDeposition). Введение фуллеренов в газовую фазу эффективно с двух точек зрения: увеличение скорости образования алмазных ядер на подложке и поставка строительных блоков из газовой фазы на подложку. В качестве строительных блоков выступают фрагменты С₂, которые оказались подходящим материалом для роста алмазной пленки. Экспериментально показано, что скорость роста алмазных пленок достигает 0.6 мкм/час, что в 5 раз выше, чем без использования фуллеренов. Для реальной конкуренции алмазов с другими полупроводниками в микроэлектронике необходимо разработать метод гетероэпитаксии алмазных пленок, однако рост монокристаллических пленок на не алмазных подложках остается пока неразрешимой задачей. Один из возможных путей решения этой проблемы — использование буферного слоя фуллеренов между подложкой и пленкой алмазов. Предпосылкой к исследованиям в этом направлении является хорошая адгезия фуллеренов к большинству материалов. Перечисленные положения особенно актуальны в связи с интенсивными исследованиями алмазов на предмет их использования в микроэлектронике следующего поколения. Высокое быстродействие (высокая насыщенная дрейфовая скорость); максимальная, по сравнению с любыми другими известными материалами, теплопроводность и химическая стойкость делают алмаз перспективным материалом для электроники следующего поколения

Сверхпроводящие соединения с С₆₀

Как уже говорилось, молекулярные кристаллы фуллеренов - полупроводники, однако в начале 1991 г. было установлено, что легирование твердого С₆₀ небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник. Легирование С₆₀производят путем обработки кристаллов парами металла при температурах в несколько сотен градусов Цельсия. При этом образуется структура типа X₃С₆₀ (Х - атом щелочного металла). Первым интеркалированным металлом оказался калий. Переход соединения К₃С₆₀ в сверхпроводящее состояние происходит при температуре 19 К. Это рекордное значение для молекулярных сверхпроводников. Вскоре установили, что сверхпроводимостью обладают многие фуллериты, легированные атомами щелочных металлов в соотношении либо Х₃С₆₀, либо XY₂С₆₀ (X,Y - атомы щелочных металлов). Рекордсменом среди высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) указанных типов оказался RbCs₂С₆₀ — его Т_кр=33 К^[13].

Другие области  применения фуллеренов

Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и  электрические батареи, в которых, так или иначе используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. При этом выход алмазов увеличивается на ≈30%. Фуллерены могут быть также использованы в фармации для создания новых лекарств. Фуллерены, принадлежащие классу аллотропных форм углерода, представляет собой технологию 21 века. С момента открытия фуллеренов в 1985 году эти молекулярные соединения получили очень широкий спектр применения, благодаря своему индивидуальному строению в виде выпуклого замкнутого многогранника, напоминающего футбольный мяч, имеющего 12 пятиугольных граней и n/2-10 шестиугольных граней.

Фуллерены, благодаря своим уникальным структурным свойствам нашли своё применение в нано технологиях, конденсированных системах, оптике, квантовой механике, полупроводниковой технике, медицине, электронике. Производство фуллеренов используется при создании гидратных оболочек, изготовления фоторезисторов, получения добавок для роста алмазных плёнок, изготовления минеральных смазок с повышенными антифрикционными и противоизносными свойствами, в производстве аккумуляторов и электрических батарей,  в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления, огнезащитных красок и во многих других направлениях науки и техники.

Фуллерены это экологически чистый продукт. Молекулы фуллеренов не токсичны и не распознаются организмом как чужеродное тело. Очень актуально сегодня использование фуллеренов в медицине и фармакологии. Заслуживает особого внимания противовирусные, антибактерицидные и антиоксидантные свойства фуллеренов. На первом месте стоит создание противораковых медицинских препаратов и препаратов против ВИЧ-инфекции на основе водорастворимых соединений фуллеренов.

Несмотря на то, что углерод  это стратегический материал будущего, производят фуллерены в большом количестве всего несколько стран в мире, в том числе и Украина. Одним из представителей Украинского рынка фуллеренов является компания "Алмэй".

Компания "Алмэй" успешно занимается внедрением фуллеренов в различные отрасли промышленности, постоянно расширяя спектр своей продукции. Сегодня компания предлагает на рынке автомобильной техники присадки в моторное масло. Основой для производства автомобильных присадок послужили свойства фуллеренов, повышающие  антифрикционные и противоизносные характеристики различных механизмов. Использование фуллеренов в минеральных смазках позволяет создавать полномерную плёнку толщиной 100 нм, которая защищает узлы механизма от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни деталей в 5-8 раз, повышает термостабильность смазок до 400—500ºС и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза, уменьшает трение сопрягаемых тел на 40-100%.

Автомобильные присадки для масла и топлива на порядок улучшают работу двигателя и уменьшают расход топлива. У Вашего автомобиля открывается второе дыхание. Благодаря использованию соответствующих фуллереновых присадок останавливается процесс окисления масла и деталей, уменьшаются отложения смол внутри мотора, увеличивается срок между заменой масла. Выбирая новые технологи, вы продлите жизнь своему  верному железному коню, который ответит Вам отличной и слаженной работой всех агрегатов и механизмов, умерив свои потребности в количестве топливной пищи. Вместе с автомобильными присадками от компании «Алмэй» сбываются мечты всех автовладельцев: наслаждаться приятной работой двигателя, реже заглядывать под капот и подольше ездить от заправки до заправки.

Вот и получается фуллерены как особая форма углерода – основа нашей жизни и стратегический материал будущего.

Эндоэдрические фуллерены

Фуллерен с внедренными  внутрь его полой сфероидальной  оболочки атомами или целыми молекулами называется эндоэдрическим комплексом. В литературе для эндоэдрического комплекса C₆₀ с внедренным атомом X принято обозначение X@C₆₀. Эндоэдрические фуллерены получают бомбардируя фуллерены ионами других элементов. Например, при бомбардировке ионов С⁺₆₀ атомами He с энергией 3-8 кэВ происходит не только разрушение фуллерена, но и образование эндоэдрических комплексов He@С_m(m=48-60).

Эндофуллерены имеют практическое применение. Введение в фуллерен определенных атомов с высоким ЯМР-откликом химически изолирует атомы от внешней среды. Если учесть безвредность фуллеренов для человеческого организма, то в руки медиков попадает материал, который может быть использован, как «контраст» для ядерной магнитной томографии. Существующие контрасты имеют на порядок меньшую «светимость» и гораздо более вредны для организма, чем фуллерен. Другое возможное применение эндофуллеренов связано с проблемой n-легирования алмаза (к настоящему времени удалось получить только p-легированный алмаз). В работах Банхарда показана возможность перехода кристаллического фуллерена в алмаз под действием электронного луча в электронном микроскопе. Если провести такой переход, используя эндоэдрические фуллерены, внедренные в молекулярный кристалл С₆₀, возможно удастся добиться введения n-примеси в алмаз.

Но нас интересует, как фуллерены  могут помочь нам  в очистке воды!

Известно, что более половины всех болезней людей связано с употреблением некачественной питьевой воды. Сейчас на Земле практически не осталось мест, где можно найти чистую природную воду, пригодную для питья. Горные ледники, некоторые подземные озера, ключи и родники, Байкал, Антарктида и Арктика — вот, пожалуй, и все. Что из этого доступно современному городскому жителю? Большие реки испорчены промышленными стоками, дождевая вода содержит растворенные газообразные выбросы, вода из лесного озера или речки содержит огромное количество органики. Ученые считают, что питьевая вода хорошего качества увеличила бы среднюю продолжительность жизни современного человечества на 20-25 лет. Все больше людей в Украине понимают это, и поэтому не употребляют в пищу воду из-под крана, а либо покупают фильтры для воды, либо пользуются бутилированной водой. 
 
«Даже идеальная по нашим понятиям так называемая родниковая вода не всегда так хороша, как может показаться на первый взгляд». Почему?— Исследования члена коллегии национальных экспертов СНГ, доктора технических наук Виктора ШАРКОВА и директора Центра биоголографии (г. Москва) Валерия ЛЕБЕДЕВА.

Правда о бутилированной воде 
 
Раньше производители писали на бутылках, что это вода — ключевая, сейчас обычно пишут честно — очищенная. Что же означает — очищенная? Широко известен только один метод глубокой очистки воды — так называемый «обратный осмос». Вода продавливается через мельчайшие мембраны, которые буквально отдирают от воды практически все растворенные соли и другие вещества, как полезные, так и вредные. В результате такой очистки получается дистиллированная или почти дистиллированная вода. Многие люди ошибочно полагают, что дистиллят — это и есть идеальная питьевая вода. 
 
^ На самом деле дистиллированная вода — это сильнейший яд.  
 
Человек может годами пить грязную воду с многократным превышением ПДК по меди, железу, даже ртути (посадить печень не так-то просто!), но с гарантией умирает в течение недели, если будет пить дистиллированную воду. Почему? Потому что вода, лишенная всех растворенных веществ, крайне активно начинает их вымывать из организма. 
 
^ Дистиллированная вода является не питьевой, а технической.  
 
Для того, чтобы ее можно было пить, дистиллят минерализуют, иначе говоря, добавляют некоторые полезные соли: кальция, магния, натрия. Но и при этом, обогащенная несколькими необходимыми для организма солями, минерализованная дистиллированная вода резко отличается от природной, в которой тысячи растворенных веществ и микроэлементов. 
 
Скажите, многие стали бы пить «минерализованную» бутилированную воду, если бы знали, что исходным веществом для нее является сильный яд — дистиллированная вода? Кроме того, как Вы думаете, выглядит процесс минерализации? На производстве стоит несколько капельниц, которые добавляют в дистиллят столько-то солей кальция, столько-то солей магния, столько-то солей натрия. Можно ли поверить, что эта аппаратура не дает сбоев и всегда идеально выдерживает заданные пропорции? Не логичнее ли предположить, что возможны сбои, когда идут, например, одни соли кальция или вообще ничего не идет? Но даже при идеальной работе механизма минерализации получается вода с содержанием очень малого числа полезных солей и с практическим отсутствием полезных микроэлементов, которые не докупить ни в одной аптеке. 
 
На «обратном осмосе» делают водку. Любой, кто выпивал больше бутылки водки замечал, что поутру начинает ломить кости. Почему? Потому, что дистиллят вымывает соли из костей. В силу вышесказанного, глубоко ошибаются те, кто считает, что покупка или заказ на дом бутилированной воды по 5 руб. за литр, решает проблему питьевой воды. 
 
Дистилляция воды с последующей минерализацией требует довольно больших затрат, на которые идут далеко не все производители «питьевой» воды. Выше шла речь именно о честных производителях, стремящихся выдержать заявленную технологию. 
 
На сегодняшний день около 80% бутилированной воды производится не по заявленной технологии. Например, следующим образом: гастарбайтеры из некоей солнечной страны в резиновых сапогах забираются в большую ванную, наполненную водой из-под крана, замешивают в нее коагулянт (осветлитель), дают воде отстояться и разливают по бутылкам, наклеив этикетку «Ключевая вода». 
 
^ Фильтры для очистки питьевой воды 
 
Воду из-под крана пить нельзя, минерализованный бутилированный дистиллят в чем-то лучше (чище), в чем-то хуже (меньше полезных солей) водопроводной воды, о «поддельной» воде и думать не хочется. Возникает вопрос: нельзя ли глубоко очистить воду из-под крана иным, чем «обратный осмос», методом? До недавнего времени лучшим сорбентом для очистки и доочистки питьевой воды являлся активированный уголь, в том числе лучший из промышленно производимых активированных углей — американский гранулированный активированный кокосовый уголь (ГАУ). Уголь, безусловно, очищает воду от широкого класса примесей, однако его сорбирующая (очищающая) способность и ресурс довольно невелики. 
 
Производители угольных фильтров дают настолько недостоверную информацию об их возможностях, что порой кажется, что они стремятся превзойти самого барона Мюнхаузена. — Зачем Вы говорите неправду о возможностях активированного угля? — спросили  как-то у руководителя одной из крупных российских фирм-производителей фильтров. — Мои конкуренты врут, и я вру, — таков был честный ответ. 
 
Так, в рекламе некоторых известных фильтров, указывается, что угольный фильтр способен в 100 раз уменьшить содержание в воде органических примесей. А на самом деле, новый угольный фильтр способен уменьшить содержание такого рода примесей только в два раза. Мельчайшую ржавчину (коллоидное трехвалентное железо) и остаточный алюминий активированный уголь не сорбирует, но об этом умалчивается. Горячую воду уголь не очищает вообще. Старый, долго использовавшийся, угольный фильтр начинает не очищать, а загрязнять воду: на входе вода лучше, чем на выходе. Так происходит потому, что из угольной массы начинает вымываться ранее скопившаяся в ней грязь. 
 
Уголь обладает еще одной неприятной особенностью — в нём хорошо размножаются бактерии. Именно поэтому производители угольных фильтров рекомендуют сохранять свою продукцию в холодильнике. Небольшие сорбционная способность и ресурс угольных фильтров, а так же тот факт, что некоторые примеси (гуминовые кислоты, коллоидные взвеси) уголь почти не сорбирует, не позволяют при помощи угля глубоко очистить природную воду. Если пропустить через угольный фильтр, например, неочищенную ладожскую воду, подаваемую по частично проржавевшим трубам, то окажется, что его ресурс равен нулю: на входе желтая не питьевая вода, на выходе — желтоватая вода, тоже не питьевая. Если бы уголь мог глубоко очистить воду, никто бы не прибегал к «обратному осмосу».  И так, Шунгитная вода