Ученые из Университета Сан-Паулу и римского университета «Ла Сапиенца» совершили нечто удивительное. Они создали фуллерены и полые сферы из графена из простейших ингредиентов: природного графита, обычного этанола, воды и щелочи. Все это происходило при комнатной температуре, без невероятного жара и сложных катализаторов. Раньше для такого требовались печи, раскаленные до тысяч градусов, а теперь хватит электрохимической ячейки.

Подробности опубликованы в издании Diamond and Related Materials.

Наша работа доказывает: можно получать фуллерены, даже так называемые гигантские, содержащие до 190 атомов углерода, с помощью простого электрохимического процесса, — говорит Жозе Маурисио Розолен, профессор химии и координатор исследования. — Этот метод открывает дорогу новым формам органического синтеза и технологическим применениям, которые еще даже не изучены.

Фуллерены — это сферические «молекулы-футбольные мячи», целиком состоящие из углерода. Самый известный из них — C60, или бакминстерфуллерен, названный так в честь архитектора Фуллера, чьи геодезические купола повторяют эту форму. С момента их открытия в 1985 году эти структуры восхищают ученых своими уникальными свойствами. Их даже находили в космосе, в туманности Tc 1 за 6000 световых лет от нас. Но вот создать в лаборатории гигантские фуллерены (больше 100 атомов) было крайне сложно — требовались чудовищные температуры под 4000 °C.

В новом же методе все иначе. Ученые пропустили ток через графитовый электрод в растворе. Это вызвало образование окисленных графеновых чешуек, которые сами, без всякого принуждения, стали собираться в идеальные сферы и фуллерены. Чтобы разглядеть результат, они использовали целый арсенал методов: электронную микроскопию, масс-спектрометрию и УФ-спектроскопию.

Мы увидели скопления сферических частиц самых разных размеров, — рассказывает Розолен. — От пузырьков размером в 10 нанометров до больших деформируемых сфер до 320 нанометров, застрявших в сетях из углеродных нанотрубок.

Масс-спектрометрия четко показала пики, характерные для известных фуллеренов C₆₀ и C₇₀, а также и для более крупных: C₁₄₆, C₁₆₂, C₁₇₆ и C₁₉₀. Ключевую роль в этом процессе играют гидроксильные радикалы (●OH) и ионы (OH⁻), которые возникают при электролизе воды. Они атакуют края графита, как скульптор, отсекающий все лишнее, откалывая фрагменты и заставляя их сворачиваться в сферы.

Однако здесь важен тонкий баланс. Если напряжение превышает 10 вольт, фуллеренов почти не образуется — вместо них получаются углеродные наноточки (квантовые точки). На успех влияет все: концентрация реагентов, размер частиц графита, время обработки и напряжение.

Полученные структуры содержат кислородные группы, что в будущем может упростить их химическую модификацию для конкретных задач. А так как весь процесс идет в жидкости, в него легко можно добавить и другие компоненты.

Мы открыли возможность производить гигантские фуллерены доступным и экологически чистым способом, — заключает Розолен. — Механизм их образования еще предстоит понять до конца, но результаты более чем обнадеживающие.

Реальная польза этого исследования лежит в нескольких плоскостях.

• Во-первых, это кардинальное снижение стоимости производства фуллеренов. Убрав необходимость в дорогостоящих высокотемпературных установках, мы открываем путь к их массовому промышленному применению.
• Во-вторых, мягкость процесса позволяет интегрировать эти углеродные структуры в другие материалы прямо во время синтеза, создавая новые композиты с заданными свойствами — например, более прочные и легкие пластики или материалы для аккумуляторов с большей емкостью.
• В-третьих, поскольку метод работает в водной среде, он экологичнее традиционных, что критически важно для «зеленой» химии будущего. В перспективе это может привести к созданию более эффективных систем доставки лекарств, элементов для гибкой электроники или новых типов катализаторов.

Основное замечание заключается в том, что исследование демонстрирует прекрасный лабораторный proof-of-concept, но до промышленного масштабирования путь может оказаться долгим. В статье упоминается, что выход продукта и его тип (фуллерены против наноточек) критически зависят от множества тонко настроенных параметров: напряжения, концентрации, времени, размера частиц графита. Воспроизвести это стабильно и с высоким выходом в условиях крупного производства — серьезная инженерная задача. Кроме того, необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, насколько легко можно очистить полученные фуллерены от побочных продуктов и кислородсодержащих групп, которые могут мешать в некоторых применениях.

Ранее российские ученые предложили использовать фуллерены для очистки пищевых культур от загрязнителей.