.

Научно-производственное предприятие
«Композитные материалы и технологии»

Санкт-Петербург

Фуллерены и их основные применения

Фуллерены — плотная закрытая структура в виде выпуклых замкнутых многогранников, содержащая более 20 атомов углерода и состоящая полностью из углеродных атомов с тремя связями. В общем же выделяют следующие разновидности фуллеренов: фуллереновая сажа; смесь С60/С70/высшие фуллерены; фуллерены С60; фуллерены С70; высшие фулллерены; эндоэдральные фуллерены; химические модификации фуллеренов; фуллереномодифицированная продукция.

Для фуллеренов характерно: 1) легирование твёрдого С60 небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала, который при низких температурах становится сверхпроводником; 2) высокая сорбционная способность (к поглощению газов, паров или веществ), как сорбенты фуллерены намного превосходят активированный уголь; 3) фотопроводимость; 4) высокая механическая прочность; 5) нелинейные оптические свойства; 6) высокая упругость; 7) низкая поверхностная энергия; 8) высокая химическая стабильность; 9) слабые межмолекулярные взаимодействия; 10) биосовместимость, что делает возможным их использование в медицине.

Таким образом, фуллерены являются уникальным функциональным материалом электроники и оптики, энергетики, биохимии и молекулярной медицины. Особенно выражены преимущества фуллерена в следующих практических приложениях: 1) модифицирование фуллеренами стали приводит к значительному повышению ее прочности, износо- и термостойкости; 2) добавка фуллеренов в чугун придает ему пластичность; 3) в керамических изделиях введение фуллеренов снижает коэффициент трения; 4) использование фуллеренов в полимерных композитах, способно увеличить его прочностные характеристики, термоустойчивость и радиационную стойкость, значительно уменьшить коэффициент трения; 5) микродобавка фуллеренововой сажи в бетонные смеси и пломбирующие составы повышает марку материала; 6) фуллерены в качестве основы для производства аккумуляторных батарей (принцип действия основан на реакции присоединения водорода) обладают способностью запасать примерно в пять раз большее количество водорода, характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с аккумуляторами на основе лития; 7) фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники (традиционные приложения в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т.п.) – преимуществом по сравнению с традиционным кремнием в фотоэлементах является малое время фотоотклика (единицы нс); 8) преимущества использования фуллеренов в качестве катализаторов лежат в их способности принимать и передавать атомы водорода; они также высокоэффективны в ускорении реакции преобразования метана в высшие углеводороды и способны замедлять реакции коксования; 9) при использовании фуллеренов в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления выход алмазов увеличивается на ≈30%; 10) фуллерены являются мощными антиоксидантами, быстро вступающими в реакцию со свободными радикалами, которые часто являются причиной повреждения и смерти клеток.

Одним из препятствий для широкомасштабного применения и производства фуллеренов является несовершенство методов его синтеза. Низкая эффективность известных на сегодняшний день технологий синтеза обусловлена небольшими объемами получаемого на выходе фуллерена. Сегодня практически все разновидности фуллеренов синтезируются методом термического испарения графита. В самом общем виде технология синтеза фуллеренов состоит из следующих этапов: синтез фуллереновой сажи; выделение смеси фуллеренов из сажи; фракционное обогащение по фуллерену; очистка фуллерена; контроль, анализ и сертификация получаемых продуктов. Основные применяемые сегодня технологии производства фуллеренов: дуговой способ производства, образование при лазерном нагреве, производство в пламени.

Крупнейшим мировым производителем фуллеренов является созданная в 2001 году Mitsubishi Chemical Corporation (www.m-kagaku.co.jp) и Mitsubishi Corporation (www.mitsubishicorp.com) совместная компания The Frontier Carbon Corporation (www.f-carbon.com). Размер инвестиций составил 177.2 млн. долл.

Основные производственные мощности по синтезу фуллеренов сосредоточены в США (30%) и Японии (48%). Значительным потенциалом по наращиванию объемов производства и потребления фуллеренов обладают также Южная Корея и Китай. Наибольшее число компаний расположено в настоящий момент в США, однако лидерство на рынке фуллеренов в натуральном выражении (с точки зрения объемов производства) принадлежит Японии.

Наиболее развитым направлением производства является смесь фуллеренов С60/С70/высшие фуллерены. Около 15% приходится на наиболее изученную разновидность фуллеренов – С60. Высшие фуллерены и эндоэдральные фуллерены производятся в крайне небольших количествах: как правило опытными образцами в миллиграммах.

Широкомасштабное использование фуллеренов во многом ограничивается их высокой стоимостью. Положительным моментом для формирования спроса на фуллерены является то, что цены на данную продукцию имеют тенденцию к снижению. В сравнении с началом 90-х годов, стоимость С60 снизилась практически в 1000 раз – с 10000 долл/грамм до практически 10 долл/грамм. В настоящее время на мировом рынке стоимость С60 составляет от 12 долл./грамм, С70 – от 240 долл./грамм.

При определении цены заказа одним из ведущих параметров, определяющих их стоимость, является объем партии. Так, стоимость С60 с чистотой исходного материала> 99% за опытный образец (менее 10 грамм) превосходит аналогичную для крупной покупки (более 20 кг) более чем в три раза (45 долл/грамм:14 долл/грамм). Цены на фуллерены с одинаковым числом атомов углерода в молекуле отличаются также в зависимости от чистоты материала. Например, стоимость фуллерена С60 (99.0%) меньше, чем С60 (99.95%) в 2-2.5 раза. Стоимость фуллеренов в значительной степени дифференцирована в зависимости от региона.

В 2008 году крупнейшим потребителем фуллеренов в мире являлась энергетика (на нее приходилось около 35%). Равнозначные доли в структуре потребления также принадлежат электронике и медицине – около 25%. Если структурировать потребление фуллеренов по региональному признаку, то лидерство здесь принадлежит США и Японии.

По оценкам Research.Techart, объем мирового рынка фуллеренов в 2008 году составил 143.5 млн. долл (119.6 млн. долл. в 2007 году). В период с 2007 года наблюдается снижение исследовательской активности по направлению фуллерены. Более того, фуллерены постепенно замещаются другим углеродным наноматериалом, в т.ч. углеродными нанотрубками, что обусловлено более привлекательными физико-химическими свойствами. По оценкам, Technology Transfer Centre (www.nttc.edu), в 2008 году доходы от продаж этих двух видов наноматериалов превысили 300 млн. долл. с потенциалом роста до 4.6 млрд. долл. к 2015 году. Спрос на углеродные нанотрубки будет превышать спрос на фуллерены.

В перспективе рынок фуллеренов может развиваться по трем сценариям: умеренному (прогнозируемый объем рынка в 2016 году – 1.9 млрд. долл), пессимистичному (200 млн. долл.) и оптимистичному (4 .7млрд. долл). Оптимистичный сценарий развития рынка основан на возможности технологического прорыва в данной области, а именно усовершенствовании процесса производства фуллеренов и выхода на массовые объемы их производства. Вторым важным фактором должно стать открытие новых областей применения данного материала.