HÓA HỌC NANO Bucky ball (buckminsterfullerene C60)

HÓA HỌC NANO
Đề tài:

Bucky ball

(buckminsterfullerene C60)
Nhóm thuyết trình : 11
GVHD:
Tên thành viên:
Huỳnh Quốc Thắng

61103296

Vũ Thành Nam

61102176

Huỳnh Quốc Huy

61101339

Nguyễn Hải Đăng

61100780

Ngày báo cáo : 14/04

Nội dung:
I.

Tổng quan về buckyball

1. Giới thiệu về buckyball
2. Tính chất vật lý
3. Tính chất hóa học
II. Các phương pháp tổng hợp
1. Phương pháp hồ quang điện
2. Phương pháp cắt tia lazer
3. Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi
III. Ứng dụng
1. Hoạt tính kháng virut
2. Fullerenes như chất gây cảm quang
3. Hoạt động chống oxi hóa
4. Ứng dụng chẩn đoán
5. Ứng dụng làm pin mặt trời hữu cơ polymer – fullerene
6. Tạo vật liệu siêu dẫn
7. Chất bôi trơn

1


I.

Tổng quan về Buckyball
1. Giới thiệu về Buckyball:

Buckminsterfullerene (hoặc Bucky-ball) là một hình cầu fullerene phân tử có công thức
C60. Nó có cấu trúc hợp nhất vòng giống như cái khung giống như một quả bóng đá , làm
bằng hai mươi lục giác và mười hai ngũ giác , với một nguyên tử carbon ở mỗi đỉnh của mỗi
đa giác.
Năm 1985, một nhóm nghiên cứu bao gồm Harold Kroto (University of Sussex, Anh
Quốc) và Sean O'Brien, Robert Curl, Richard Smalley (Rice University, Texas, Mỹ) khám

phá ra một phân tử chứa 60 nguyên tử carbon, viết tắt là C60. Giáo sư Kroto là một nhà
nghiên cứu hóa học thiên văn. Vào thập niên 70, ông đã có một chương trình nghiên cứu
những chuỗi dài các nguyên tử carbon trong các đám mây bụi giữa các vì sao (interstellar
dust). Ông liên lạc với nhóm của Curl và Smalley và dùng quang phổ kế laser của nhóm nầy
để mô phỏng điều kiện hình thành của các chuỗi carbon trong các đám mây vũ trụ. Họ không
những có thể tái tạo những chuỗi carbon mà còn tình cờ khám phá một phân tử rất bền chứa
chính xác 60 nguyên tử carbon. Sự khám phá C60 xoay hướng nghiên cứu của nhóm này từ
chuyện tìm kiếm những thành phần của vật chất tối (dark matter) trong vũ trụ đến một lĩnh
vực hoàn toàn mới lạ liên hệ đến khoa vật liệu (Materials Science). Năm 1996, Kroto, Curl và
Smalley được giải Nobel Hóa học cho sự khám phá này.
Trước C60 người ta chỉ biết carbon qua ba dạng: dạng vô định hình (amorphous) như than
đá, than củi, bồ hóng (lọ nồi), dạng than chì (graphite) dùng cho lõi bút chì và dạng kim
cương (Hình 1). Sự khác nhau về hình dạng, màu mè, giá cả và cường độ yêu chuộng của nữ
giới giữa than đá, than chì và kim cương thì quả là một trời một vực. Tuy nhiên, sự khác nhau
trong cấu trúc hóa học lại khá đơn giản. Như cái tên đã định nghĩa, dạng vô định hình không
có một cấu trúc nhất định. Trong than chì các nguyên tố carbon nằm trên một mặt phẳng
thành những lục giác giống như một tổ ong. Cấu trúc nầy hình thành những mặt phẳng nằm
chồng chất lên nhau mang những electron pi di động tự do. Than chì dẫn điện nhờ những
electron di động nầy. Trong kim cương những electron pi kết hợp trở thành những nối hóa
học liên kết những mặt phẳng carbon và làm cho chất nầy có một độ cứng khác thường và
không dẫn điện.

2


Hình 1: Tám loại carbon theo thứ tự từ trái sang phải:
(a) Kim cương, (b) Than chì, (c) Lonsdaleite, (d) C60, (e)
C540, (f) C70, (g) Carbon vô định hình (h) Ống nano carbon (Nguồn: Wikipedia).
Sự khám phá của C60 cho carbon một dạng thứ tư. Sau khi nhận diện C60 từ quang phổ hấp
thụ Kroto, Curl và Smalley bắt đầu tạo mô hình cho cấu trúc của C60. Trong quá trình nầy các

ông nhanh chóng nhận ra rằng các nguyên tố carbon không thể sắp phẳng theo kiểu lục giác
tổ ong của than chì, nhưng có thể sắp xếp thành một quả cầu tròn trong đó hình lục giác xen
kẻ với hình ngũ giác giống như trái bóng đá (Hình 1d và 2). Phân tử mới nầy được đặt tên là
buckminster fullerene theo tên lót và họ của kiến trúc sư Richard Buckminster Fuller. Ông
Fuller là người sáng tạo ra cấu trúc mái vòm hình cầu với mô dạng lục giác (Hình 3). Cho
vắn tắt người ta thường gọi C60 là fullerene hay là bucky ball.

Hình 2: Quả bóng đá C60.

3


Hình 3: Kiến trúc sư Richard Buckminster Fuller
và mái vòm hình cầu với mô dạng lục giác.
2. Tính chất vật lý:
Công thức
phân tử
Khối lượng
phân tử

C 60
720,64 g · mol -1

Dạng tồn tại

Tinh thể hình kim đen

Tỉ trọng

1,65 g / cm 3

Điểm nóng
chảy
Độ hòa tan
trong nước

Thăng hoa ở ~ 600 ° C (1112 °
F; 873 K)
không tan trong nước
(Nguồn: Wikipedia)

Buckyball có tính trơ vật lý, cứng, nhẹ. có một màu tím sâu mà để lạimột dư lượng nâu khi
bốc hơi.
3. Tính chất hóa học:
3.1 Phản ứng thế ái nhân:
Fullerene có xu hướng phản ứng như các ion, nó phản ứng với một loạt các nucleophin
trong phản ứng thế ái nhân.
4


Phản ứng Bingel: là phản ứng mà 1 bazơ hút lấy các malonate proton có tính axit tạo ra
một cacbanion hoặc enolate mà phản ứng với các điện tử fullerene thiếu liên kết đôi trong
một phản ứng thế ái nhân. Điều này sẽ tạo ra mộtcacbanion mà chiếm chỗ brom
trong một thay thế ái nhân trong một nội nguyên tử vòng cyclopropane khép kín.

E là nhóm được giữ lại,L là nhóm rời đi
3.2 Phản ứng với Halogen:
Đối với flo, các nguyên tử F là đủ nhỏ để cộng vào các vị trí 1,2. Tuy nhiên, đối với Cl2
và Br2 , do các yếu tố không gian mà các nguyên tử halogen được thêm vào các C có vị trí xa
nhau . Ví dụ, trong C60Br8 và C60Br24 , các nguyên tử Br được thêm vảo các vi trí 1,3 và 1,4.

3.3 Phản ứng với các gốc tự do:
Phản ứng của C60 với các gốc tự do dễ dàng xảy ra. Khi C60 được trộn với một disulfide
RSSR, các gốc tự do C60SR • hình thành một cách tự nhiên khi chiếu xạ của hỗn hợp.

3.4 Phản ứng cộng với các nguyên tử oxy:
C60 có thể được oxy hóa thành epoxide C60O. Ozon hóa C60 trong 1,2-xylene tại 257K cho
một ozonide C60O3 trung gian. Phân hủy của C60 O3 ở 296K tạo thành các các epoxide,C60O
có thể được chia ra 2 đồng phân C60O.

5


3.5 Hydro hóa:
C60 chỉ thể hiện một ít nét đặc trưng của nhân thơm nhưng nó vẫn phản ánh những đặc
trưng của các liên kết đơn-đôi C-C nội bộ. Do đó C60 có thể cộng thêm hydro để tạo thành
polyhydrofullerene.
3.6 Phản ứng oxy hóa khử - C60 anion và cation
3.7 Phức hợp kim loại
II.
Các phương pháp tổng hợp:
1. Phương pháp hồ quang điện:
Đây là phương pháp đầu tiên cũng như là phương pháp phổ biến nhất được dùng để tạo ra
C60 ( fullenrene).


Nguyên lý hoạt động :

Phương pháp này sử dụng hồ quang điện tạo ra các cacbon C60 thông qua sự hóa hơi của
hai thanh cacbon (2 điện cực) đặt đối diện nhau, cách nhau khoảng 1mm trong môi trường
khí trơ dưới áp suất thấp ( 50-70 mbar). Một dòng điện khoảng 50-100A được tạo ra dưới

điện áp 20V tạo ra 1 lưu lượng nhiệt lớn giữa 2 cực, làm hóa hơi 1 trong hai điện cực và hình
thành trên điện cực còn lại các cacbon C60 (buckyball).

6


Các xúc tác kim loại
Fe, Co, Ni, Y, Mo…. Được đưa vào anot để tạo mầm cho sự hình thành cacbon C60. Số
lượng và chất lượng của C60 hình thành được kiểm soát thông qua việc điều chỉnh các yếu tố
sau:
-

Khí trơ :

Khi sử dụng khí có hệ số dẫn nhiệt và khuyếch tán nhiệt càng nhỏ thì đường kính của C60
càng nhỏ.
-

Plasma

Khoảng cách từ anot đến catot được hiệu chỉnh để đạt được những xoáy plasma mạnh
xung quanh catot nhằm làm tăng cường sự bốc hơi của catot, do đó thúc đẩy sự hình thành
buckyball.
2. Phương pháp cắt tia laser:
Dòng lazer dạng xung hay liên tục để làm bốc hơi những hạt graphite nhỏ trong thùng
điều nhiệt ở 1200oC. Sự khác biệt chính của dòng lazer ngắt quãng dạng xung và ngắt quãng
liên tục là dòng xung đòi hỏi cường độ ánh sáng mạnh hơn (100kW/m2 so với 12kW/m2).
Thùng điều nhiệt được bơm đầy khí Hêli hoặc khí Argon để giữ áp lực ở 500 Torr. Ở đây,
giữa sự phát xạ quang phổ của hỗn hợp các graphite tạo thành phương pháp cắt ở trạng thái
kích thích so với hơi C60. Các lớp nano cacbon được liên kết với nhau bằng lực Van de

Waals. Phương pháp cắt bằng tia lazer gần giống với sự phóng điện hồ quang bởi vì sự tối ưu
của việc dùng nền các chất khí và các xúc tác giống như quá trình phóng điện hồ quang. Các
điều kiện phản ứng cần thiết và cơ chế giống hoàn toàn.

7


2.1 Phương pháp dùng dòng điện cực lazer tự do với xung cực nhanh:
Dòng điện cực laser với xung trong hệ Nd:YAG có độ rộng khoảng 10 nano giây (ns).
Trong hệ FEL này người ta sử dụng xung rộng khoảng 400fs. Tần số lặp của xung tăng cực
nhanh từ 10 Hz đến 75 MHz để cung cấp chùm tia năng lượng tương đương dùng laser hệ
Nd: YAG thì các xung phải được hội tụ lại. Cường độ của bó laser sau khi đi qua thấu kính
hội tụ đạt đến 5.1011 W/cm2, cao hơn gấp 1000 lần cường độ từ hệ ND :YAG. Dòng khí
Argon ở 1000oC được dùng làm mục đích làm nóng sơ bộ sau khi qua một đầu phun thì đến
rất gần với cụm graphite đang quay có xúc tác bám trên đó. Khí Argon làm chùm tia laser cắt
lệch đi một góc 90o so với hướng tới của dòng FEL, đánh bật hơi cacbon ra phần phía trước
của cụm. Sau đó làm lạnh thì thu được fullerene. Phương pháp này, hiệu suất tối ưu của các
loại laser hiện nay là 45g/h, với xúc tác là hệ NiCo hay NiY, trong môi trường khí Argon
ở 1000oC với bước sóng khoảng 3000nm.
2.2 Phương pháp dùng sóng laser liên tục:
Phương pháp này dựa trên sự cắt laser của hỗn hợp trộn lẫn của axit với xúc tác là bột kim
loại bằng sóng laser CO2 liên tục 2kW trong dòng Argon hay nitrogen nhờ đưa vào một dạng
bột nhuyễn kích cỡ micro nên sự tổn thất do truyền nhiệt giảm đáng kể so với việc dùng laser
đốt nóng các khối graphite rắn ở dạng co cụm. Từ đó việc hấp thụ năng lượng laser trên các
vật liệu hiệu quả hơn. Phương pháp này tạo được hiệu suất là 5g/h với xúc tác là hỗn hợp
NiCo với tỉ lệ 1:1, nhiệt độ 1100oC.
3. Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi ở dạng bọt gel:
Trong phương pháp này, C60 đơn lớp được tạo ra bằng cách cho phân hủy cacbon
monoxit (CO) trên nền xúc tác Fe/Mo ở dạng bọt gel. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu
suất và chất lượng của C60 đơn lớp, bao gồm diện tích bề mặt tiếp xúc của vật liệu, nhiệt độ

phản ứng và lượng khí được cung cấp. Diện tích bề mặt lớn, độ xốp và khối lượng riêng siêu
nhỏ của bọt gel làm cho hiệu suất của phương pháp này cao hơn hẳn các phương pháp khác.
Sau khi xử lí bằng axit và quá trình oxi hóa, sẽ thu được cacbon C60 chất lượng cao (>99%).
Khi sử dụng CO là khí cung cấp, hiệu suất tổng hợp có giảm nhưng nhìn chung, chất lượng
của vật liệu thì lại rất tốt.

8


Phương pháp lắng đọng hóa học từ pha hơi sử dụng nhiệt laser (LCVD) :
Trong phương pháp này, tia laser sóng CO2 liên tục, mang năng lượng trung bình, được
chiếu thẳng vào chất nền, làm nhiệt phân hỗn hợp nhạy hóa gồm hơi Fe(CO)5 và
acetylene đang chảy dòng. Buckyball được hình thành dưới tác dụng xúc tác của những hạt
sắt rất nhỏ.

III.

Ứng dụng:
1. Hoạt tính kháng virus

Các hợp chất có hoạt tính kháng vi-rút được quan tâm trong y tế và phương thức hoạt
động khác nhau các dược phẩm đã được mô tả. Việc nhân lên của virus gây suy giảm miễn
dịch ở người (HIV) có thể bị ức chế bởi một số hợp chất kháng virus, đó là hiệu quả trong
việc ngăn ngừa hoặc trì hoãn sự khởi phát của hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải
(AIDS). Fullerene (C60) và các dẫn xuất của chúng có hoạt tính kháng virus tiềm năng, trong
đó có những tác động mạnh mẽ vào việc điều trị HIV. Hoạt tính kháng virus của các dẫn xuất
fullerene được dựa trên một số đặc tính sinh học bao gồm cấu trúc phân tử độc đáo và các
hoạt động chống oxy hóa. Nó đã được chứng minh rằng dẫn xuất fullerenes có thể ức chế và
tạo phức hợp với HIV protease (HIV-P) (Friedman et al 1993; Sijbesma et al 1993).
Dendrofullerene 1 (Hình 1) cho thấy các hoạt động chống protease cao nhất (Brett Reich và

Hirsch 1998; Schuster et al 2000) .Derivative 2, đồng phân trans-2 (Hình 1), là một chất ức
chế mạnh của HIV-1 nhân rộng . Nghiên cứu này cho thấy vị trí tương đối (trans-2) của nhóm
9


thế trên fullerenes và điện tích dương gần fullerenes cung cấp một cấu trúc hoạt động kháng
virus.

Hình 1: Cấu trúc hợp chất 1 và 2
Fulleropyrrolidine với hai nhóm amoni đã được tìm thấy hoạt động chống lại HIV-1 và
HIV-2 (Marchesan et al 2005). Các vị trí tương đối của các chuỗi bên trên fullerene có một
ảnh hưởng mạnh mẽ đến hoạt động kháng virus. Một loạt các dẫn xuất fullerene đã được tổng
hợp để làm sáng tỏ các thông số cấu trúc có ảnh hưởng đến hoạt tính kháng virus của
fullerene. Hình 2 cho thấy các dẫn xuất, được sử dụng trong các tế bào lympho CEM tế bào
nhiễm HIV-1 và HIV-2. Kết quả cho thấy rằng dẫn xuất fullerenes trans có nhiều hoạt động
hơn so với các cis- trong khi một xích đạo là hoàn toàn không hoạt động

Hính 2: Cấu trúc Fulleropyrrolidine

10


Dẫn xuất Fullerene C60 với hai hay nhiều mạch nhánh solubilizing cũng đã được thử
nghiệm, khi thử nghiệm trong tế bào lympho CEM tế bào nhiễm HIV-1 và HIV-2 (Bosi et al
2003). Mặc dù dẫn suất của fullerene với pyrrolidinium nitrogen tăng độ tan của nó, nhưng
việc sử dụng thực tế của phương pháp này bị giới hạn bởi việc tạo ra các đồng phân khác
nhau. Kết quả hoạt động chứng minh rằng các dẫn xuất này hoàn toàn không chống lại HIV2, trong khi đó các dẫn xuất với các muối nitrogen pyrrolidine tương ứng ở bậc bốn có tác
động đến chống lại HIV-1. Phát hiện này là quan trọng để hiểu sự tương tác tĩnh điện và cấu
trúc của các hợp chất có hoạt tính kháng virus.
Dẫn xuất axit amin của fullerene C60 (ADF) được tìm thấy để ức chế HIV (Kotelnikova et

al 2003). Các dẫn xuất fullerene chọn sẽ được hòa tan trong nước của các axit amin đến C60:
C60-l-Ala, C60-l-Ser, C60-l-Gly, C60-l-Arg và C60-d-Arg, C60-ACA (C60-ɛ-aminocaproic acid),
C60-ACNA (muối natri của C60-ACA), C60-ABA (acid C60-γ-aminobutyric) và C60-ABNA
(muối natri của C60-ABA) (Romanova et al 1994). Các cơ chế dựa trên thâm nhập của ADF
mang ion kim loại hoá trị hai qua lớp kép lipid của liposome, đưa vào đến vị trí kỵ nước của
protein và thay đổi chức năng của các màng liên kết enzyme. Các quan sát rằng fullerene C60
và các dẫn xuất không miễn dịch tiếp tục hỗ trợ tiềm năng cho các hợp chất dược phẩm.
Mặt khác, fullerene không tan trong nước (C60) dẫn xuất có hoạt tính kháng virus chống lại
bao phủ virus. Sau khi nhận thấy cho ánh sáng chiếu sáng 5h vào virus semliki (SFV,
Togaviridae) hoặc virus viêm miệng mụn nước (VSV, Rhabdovirus) (Kaesermann và Kempf
1997) trong sự hiện diện của C60, sự lây nhiễm của các virus này sẽ bị mất. Hiệu ứng này là
do các tạo singlet oxygen và cũng không kém phần hiệu quả trong dung dịch có chứa protein.
Một số thuốc nhuộm có sẵn cho phép tạo singlet oxygen (Rywkin et al 1995). Hình 3 cho
thấy sự mất mát phụ thuộc thời gian của nhiễm SFV sau khi chiếu sáng trong sự hiện diện
của C60 và oxy. Ánh sáng gây bất hoạt có thể bị dập tắt bằng cách loại bỏ oxy bằng cách xả
argon thông qua các hệ thống treo.

11


Hình 3: Động học của các hoạt tính quang của SFV bởi C60. SFV được chiếu sáng
bằng ánh sáng nhìn thấy được trong sự hiện diện của C60 được khuấy liên tục và bọt O2
Cation, anion và acid amin loại dẫn xuất fullerene ức chế phiên mã và viêm gan C virut
sao chép HIV-reverse (Mashino et al 2005). Các dẫn xuất fullerene anion hiện tính chống oxy
hóa trong khi các dẫn xuất cation có hoạt động kháng khuẩn và kháng proteaza. Dẫn suất của
fullerene với chuỗi alkyl dài có ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt tính kháng virus của họ
2. Fullerenes như chất gây cảm quang
Một ứng dụng y học tiềm năng của C60 liên quan đến photoexcitation fullerene. Trong
thực tế, fullerene có thể được kích thích từ trạng thái cơ bản để 1C60 bởi photoirradiation.
Loại không bền này được dễ dàng chuyển đổi thành 3C60 để tồn tại bền hơn. Việc có mặt của

oxy phân tử, các fullerene có thể phân hủy từ bộ ba của về trạng thái cơ bản, truyền năng
lượng cho O2, tạo singlet oxygen 1O2, được biết đến là loại gây độc cho tế bào. Ngoài ra, các
loại có năng lượng cao như 1C60 và 3C60 là chất nhận điện tử tốt với sự hiện diện của một chất
điện tử, có thể qua các quá trình khác nhau, dễ dàng bị giảm xuống C60*- bằng cách chuyển
electron. Một lần nữa, trong sự hiện diện của oxy, các anion gốc fullerene có thể chuyển một
điện tử, tạo ra một anion superoxide gốc O2 * - và gốc hydroxyl OH * (Yamakoshi et al 2003).
Các fullerene kích thích có thể thể bị giảm trong điều kiện sinh học trong sự hiện diện của
chất khử sinh học ví dụ như, guanosin. Mặt khác, singlet oxygen và anion gốc superoxide
cũng được biết đến loại phản ứng đối với DNA (Da Ros et al 2001). Thuộc tính của fullerene
này lại làm cho photosensitizers có tiềm năng sử dụng trong liệu pháp quang động (PDT).
Nhiều hợp chất fullerene với các nhóm chức năng khác nhau sở hữu mối quan hệ sinh học
với các acid nucleic hoặc protein, đang được điều tra cho hoạt động chống ung thư. Đặc biệt,
hợp chất của C60 và acridine hoặc oligonucleotide, tương tác với các axit nucleic, đã được
tổng hợp với mục tiêu tăng khả năng gây độc (An et al 1996; Yamakoshi et al 1996). Khả
năng gây độc đuôi gai của monoadduct C60 và C60 axit malonic đã được điều tra trên tế bào
Jurkat, và khi tiếp xúc với ánh sáng UV, số lượng tế bào được tìm thấy sẽ giảm khoảng 19%
trong vòng hai tuần (Rancan et al 2002). Ji et al cũng nghiên cứu biodistribution và khối u
hấp thu của C60(OH)X trong năm loại mô hình khối u bằng phóng xạ 125i-nhãn C60(OH) x. (Ji
et al 2006).
Iwamoto và Yamakoshi giới thiệu một cao tan trong nước C60-N vinylpyrolidon
copolymer là đại diện cho liệu pháp quang động (Iwamoto và Yamakoshi 2006). C60 được
kết hợp đồng hóa trị vào chuỗi poly (vinylpyrolidon) thông qua phản ứng trùng hợp. Hạt
12


nano này là fullerene tan phần lớn trong nước và dung dịch có nồng độ cao hơn so với báo
cáo cho C60 bão hòa trong toluene có thể được tạo ra bằng phương pháp này.
Liu et al (2007) đã chứng minh việc sử dụng poly ethylene glycol (PEG) - fullerene liên
hợp chứa ion Gd

3+

cho liệu pháp quang động kết hợp với chụp cộng hưởng từ (MRI). Các

nhà nghiên cứu chứng minh thông qua các dữ liệu thực nghiệm rằng có hiệu quả đáng kể với
khối u PDT bởi khả năng của photosensitizer và hoạt động MRI. C60-PEG-Gd được tiêm vào
những con chuột mang khối u. Các hoạt động MRI được đưa vào C60-PEG của PDT
photosensitizer. Sự kết hợp của các ion chelate Gd3+ có thể chuyển đổi C60-PEG tạo ra một
photosensitizer với cả các chức năng chẩn đoán và điều trị (Liu et al 2007).
Gần đây, Mroz et al (2007) đã điều tra các hoạt động quang động của dẫn xuất fullerene
với các nhóm ưa nước và cation chống lại nhiều tế bào ung thư chuột. Họ phát hiện ra rằng,
mono fullerene cation là photosensitizer có hiệu quả cao để giết chết tế bào ung thư bằng cảm
ứng điện nhanh chóng của sự tự hủy sau khi chiếu sáng.
3. Hoạt động chống oxi hóa
Kết quả được công bố vào năm 1999 đã chỉ ra rằng fullerenes có tiềm năng như chất
chống oxy hóa sinh học. Các chất chống oxy hóa được dựa vào fullerenes có số lượng lớn các
liên kết đôi liên hợp và vùng trống thấp nhất quỹ đạo phân tử (LUMO) mà có thể dễ dàng
mất một electron. Báo cáo co thấy rằng có đến 34 gốc methyl đã được thêm vào một phân tử
C60 đơn. Quá trình tôi này xuất hiện để được chất xúc tác. Nói cách khác các fullerene có thể
phản ứng với nhiều superoxides mà không bị mất đi. Do tính năng này fullerene được coi là
gốc hiệu quả nhất trên thế giới. Ưu điểm chính của việc sử dụng chất chống oxy hóa như
fullerenes trong y tế là khả năng hạn chế mitochondria bên trong tế bào và ngăn sang các tế
bào khác,tại quốc gia nhiễm bệnh, việc sản xuất các gốc tự do diễn ra
Fullerene cũng được sử dụng cho các hoạt động chống lại tia UVA cytoprotective chiếu xạ
(Xiao et al 2006). Bức xạ cực tím A (320-400 nm) tạo ra loại phản ứng oxy, trong đó có một
tác dụng sinh học trên tế bào da người, dẫn đến tổn thương tế bào hoặc tế bào chết. Một lần
nữa bản chất làm sạch triệt để hòa tan trong nước fullerene phát sinh cụ thể là Radical
Sponge® (C60 với polyvinylpyrrolidone)) đã được sử dụng để bảo vệ các tế bào động vật có
vú và con người chống lại stress oxy hóa, thông qua xúc tác không tạo sự đột biến của
superoxide. Khả năng của Radical Sponge® thâm nhập vào sâu lớp biểu bì da người làm cho

13


nó đáng tin cậy hơn so với Vitamin C và cho phép các phòng cả hai tia cực tím da tổn thương
và lão hóa da, không gây độc tế bào.
Fullerenes tan trong nước là fullerenes và các dẫn xuất của axit malonic của C60 đã thu hút
được sự chú ý lớn trong lĩnh vực khoa học thần kinh. Não chứa một số axit béo không bão
hòa khác nhau, và làm nền tảng cho sự trao đổi chất hiếu khí, và đã khả năng tái tạo các mô
bị hư hỏng, làm cho nó một cơ quan rất nhạy cảm đối với việc oxy hóa do các gốc tự do.
Những loại ôxy phản ứng là O2

•-

(superoxide), • OH (hydroxyl) và các phân tử gốc tự H2O2

(Halliwell 1992). Các dẫn xuất fullerene có khả năng ức chế các phản ứng dây chuyền của
lipid peroxide bởi gốc tự peroxyl trung gian, ngăn không cho chúng tấn công chuỗi axit béo
liền kề protein của màng tế bào, mà sẽ dẫn đến excitotoxicity glutamate thụ qua trung gian
và chết tế bào tự hủy. Trong các thí nghiệm nuôi cấy tế bào, C60 tris (malonic) axit cứu tế bào
thần kinh vỏ não và hơn nữa đã cho thấy việc bảo vệ thần kinh mạnh mẽ trong một số mô
hình nuôi cấy tế bào khác của bệnh thần kinh như bệnh Parkinson (Dugan et al 1997).
4. Ứng dụng chẩn đoán
Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng lồng fullerene là tương đối không độc hại và khả năng
chống sự trao đổi chất của cơ thể (Moussa et al 1997; Chen et al 1998). Nghiên cứu phân bố
sinh học với các dẫn xuất tan trong nước của C60 cho thấy rằng các hợp chất này chủ yếu ở
trong gan và việc thải chúng rất chậm (Moussa et al 1997. Endo fullerene có tiềm năng ứng
dụng trong chẩn đoán thể được áp dụng như tác nhân cộng hưởng từ MRI, X-ray và
radiopharmaceuticals.
5. Ứng dụng làm pin mặt trời hữu cơ polymer – fullerene

Cơ chế biến đổi năng lượng mặt trời thành dòng điện trong pin nói chung xảy ra như
sau:(1) điện tử bị quang tử kích thích nhảy lên trạng thái kích thích để lại một lỗ trống (+)
(2) vì điện tử có điện tích âm (-) và lỗ trống mang điện dương (+) tạo nên cặp âm dương
(-)(+), hay là lỗ trống – điện tử (exciton) , chúng liên kết với nhau do lực hút tĩnh điện.

14


Hình 4: Quang tử trong ánh sáng mặt trời “đánh bật” và nâng điện tử lên dải dẫn
điện để lại lỗ trống (+) ở dải hóa trị. Cặp (+)(-) (lỗ trống – điện tử) còn gọi là
exciton.
(3) cặp (+)(-) phải được tách rời để điện tử hoàn toàn tự do đi lại tạo ra dòng điện. Những
quang tử sẽ đánh bật điện tử ra khỏi mạng của vật liệu p tạo ra cặp âm dương (-) (+) (cặp điện
tử – lỗ trống). Chỉ những cặp ở gần vùng chuyển tiếp p-n (p-n junction) mới bị phân tách. Sau
khi phân tách, điện tử sẽ di động trong vật liệu n tiến đến cực dương và lỗ trống (+) di động
trong vật liệu p tiến đến cực âm. Dòng điện xuất hiện. Thiếu một trong ba quá trình này, dòng
điện không xảy ra.

Hình 5 : (a) Sự phân ly của cặp lỗ trống – điện tử (h+ và e-) tại mặt chuyển
tiếp giữa vật liệu p và n. (b) Điện tử (e-) đi theo đường vân vật liệu n tiến đến cực
dương, và lỗ trống (h+) theo đường vân vật liệu p tiến đến cực âm. Dòng điện xuất
hiện.
Trong pin mặt trời dùng vật liệu hữu cơ, nguyên tắc chính là sự di chuyển điện tử từ một
polymer/phân tử cho điện tử (electron donor (D) – bán dẫn loại p) đến một polymer/phân tử
nhận điện tử (electron acceptor (A) – bán dẫn loại n). Sự di chuyển của điện tử sẽ tạo thành
dòng điện.

15

Hình 6 : Sơ đồ dịch chuyển điện tử trong polyme.
a.
Polyme hấp thụ ánh bức xạ mặt trời tạo cặp exiton khuyếch tán tới bề
mặt chung donor – acceptor.
b.
Tại bề mặt tiếp xúc, điện tử chuyển tới acceptor, tạo cặp điện tử – lỗ
trống.
c.

Sự phân tách cặp điện tử – lỗ trống tạo các hạt mang điện tự do;

d.

Các hạt mang điện tự do dịch chuyển theo các pha tới các điện cực;

e.

Sự tái hợp điện tử – lỗ trống trong donor;

f.

Sự tái hợp điện tử – lỗ trống tại bề mặt chung của donor – acceptor

6. Tạo vật liệu siêu dẫn:

16


7. Chất bôi trơn
Cacbon C60 được dùng như một chất phụ gia cho dầu nhớt để làm giảm độ ma sát.

17