Исследование стабильности пленок фуллерена с60

Аннотация

Цель работы заключалась в исследовании стабильности фуллерена С60 при облучении видимым светом в токе воздуха. Изучены пленки фуллерена толщиной 100 нм. Анализ результатов осуществлялся методами высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и УФ-спектроскопии. Оказалось, что при удельной мощности облучения (W) анализируемых пленок 70 мВт/см2 в течение 300 часов и одновременном прокачивании воздуха в значительном количестве образуются продукты окисления и полимеризации фуллерена.

Полный текст

Пристальное внимание исследователей в последние 30 лет привлекают фуллерены, особенно фуллерен C60 [1, 2]. Одним из его важных свойств является способность молекул фуллерена при облучении видимым светом переводить молекулы кислорода из основного триплетного состояния в возбужденное синглетное [3, 4]. В свою очередь, высокая активность молекул синглетного кислорода позволяет его использовать в целях борьбы с микроорганизмами и вирусами [3, 5]. В частности, это может найти применение для обеззараживания воздуха в закрытых помещениях. Целесообразность использования фуллерена С60 для подобного обеззараживания в первую очередь зависит от его стабильности. Данная работа посвящена исследованию пленок С60, подверженных воздействию светового облучения и воздушного потока.

В работе анализировался фуллерен С60, сублимированный в вакууме на стеклянные пластины. Толщина пленки фуллерена — 100 нм. Пластины помещались в специальную камеру, позволяющую одновременно проводить облучение видимым светом и продувать воздух. Свет подавался от лампы накаливания, а продувку обеспечивал водоструйный насос. Так как от лампы накаливания происходило тепловое излучение, то систему специально охлаждали, поддерживая температуру 30 °С. Скорость прокачки воздуха составляла 100 л/ч. Весь эксперимент длился 300 часов, поэтому суммарный объем воздуха, прошедшего через систему, оказался 30 м3.

Предварительно был проанализирован спектр света, излучаемый лампой накаливания FL-500 и проходящий сквозь стеклянную пластину. Эксперимент показал, что на фуллерен падает свет с длиной волны (λ) > 350 нм. С помощью измерителя мощности лазерного излучения ИМО-2н проведен опыт по оценке мощности излучения лампы накаливания. Оказалось, что в условиях эксперимента удельная мощность излучения (W) составила 70 мВт/см2.

По окончании облучения и продувки воздухом С60 анализировался методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Для этого сублимированный фуллерен был смыт с пластин толуолом. На представленных хроматограммах хорошо видны изменения, произошедшие с фуллереном С60 в пленке: а) фуллерен до эксперимента (рис. 1); б) фуллерен после эксперимента (рис. 2).

Рис. 1. Хроматограмма исходного фуллерена. Колонка triart C-18, подвижная фаза — толуол

Рис. 2. Хроматограмма фуллерена после обработки. Колонка triart C-18, подвижная фаза — толуол

Из рисунков видно, что после эксперимента раствор становится многокомпонентным. Таким образом, в результате продувки воздухом и облучения светом с фуллереном происходят химические превращения. На второй хроматограмме, кроме пика фуллерена, видно еще три пика большой интенсивности и три пика малой интенсивности. Пики, расположенные левее пика фуллерена, соответствуют более полярным молекулам (их объем удерживания меньше). Чем больше объем удерживания на хроматограмме, тем молекулы веществ менее полярны. Можем предположить, что полярные молекулы соответствуют продуктам окисления фуллерена кислородом воздуха. Возможные молекулярные структуры продуктов окисления представлены на рис. 3.

Рис. 3. Продукты окисления фуллерена

Отметим, что смыть толуолом всю пленку с пластины не получилось. После упаривания толуольного экстракта оказалось, что с пластины смыто 0,2 мг вещества. В то же время с неэкспонированной в камере пластины смывается 0,4 мг фуллерена. То есть в результате химических превращений формируются как растворимые, так и нерастворимые в толуоле продукты. Нерастворимая фракция составляет 50 % от массы исходного фуллерена. Ее хорошо видно на стеклянной подложке невооруженным взглядом.

Можем предположить, что нерастворимая пленка представляет собой смесь продуктов полимеризации фуллерена. Действительно, было показано [6], что видимый свет инициирует полимеризацию фуллерена. В результате фотополимеризации происходит [2 + 2] циклоприсоединение, при котором формируются циклобутановые фрагменты, соединяющие фуллереновые мономерные звенья. В работе [6], например, фотополимеризацию фуллерена исследуют методом Рамановской спектроскопии. Отметим, что димер фуллерена в толуоле растворим. Вполне возможно, что один из минорных пиков с большим временем удерживания на рис. 2 соответствует продукту димеризации фуллерена (рис. 4).

Рис. 4. Димер фуллерена

Также проведен анализ методом УФ-спектро скопии. Исследованы пленки фуллерена толщиной 64 и 94 нм в диапазоне поглощения света с длиной волны 280–680 нм. Известно, что раствор фуллерена С60 (например, в гексане) имеет максимумы поглощения на длинах волн 330, 400–410 и около 600 нм. Из спектров пленок видно, что максимумы поглощения смещаются в длинноволновую область: 345, 435, 615 нм. Если сравнивать спектры образцов до обработки в камере и после обработки, то можно отметить следующее. Во-первых, спектры имеют несколько точек пересечения. Во-вторых, экстремумы (максимумы и минимумы) в спектре образца после обработки становятся менее выраженными, нежели до обработки. Спектр пленок становится как бы сглаженным.

Таким образом, результаты спектроскопии поглощения также свидетельствуют, что в результате продувки воздухом и облучения светом фуллереновые пленки изменяются во времени. Эти данные согласуются с результатами хроматографии: пленки неустойчивы к условиям обработки, что приводит к образованию побочных продуктов. При переходе к более толстой пленке (от 64 к 94 нм) разница в спектрах становится заметнее (рис. 5 и 6).

Рис. 5. Спектры поглощения пленок фуллерена до () и после () обработки в камере. Толщина пленки — 64 нм

Рис. 6. Спектры поглощения пленок фуллерена до () и после () обработки в камере. Толщина пленки — 94 нм

Выводы

Пленка фуллерена подверглась воздействию светового облучения в токе воздуха. Облучение проводилось светом с длиной волны > 350 нм и удельной мощностью 70 мВт/см2. Эксперимент длился 300 часов при температуре 30 °С. За это время прокачен воздух объемом 30 м3. Методами ВЭЖХ и УФ-спектроскопии установлено, что в таких условиях стабильность фуллерена низкая. Предполагается, что фуллерен претерпевает окисление и полимеризацию.