Шунгит – уникальный природный материал. Он необычен по происхождению, структуре входящего в его состав углерода и структуре самих пород.

Шунгитовый углерод — это окаменевшая древнейшая нефть, или аморфный, некристаллизирующийся, фуллереноподобный (т.е. содержащий определённые регулярные структуры, см. ниже) углерод. Его содержание в породе около 30%, а 70% составляют силикатные минералы — кварц, слюды. Кроме углерода в состав шунгита входят также SiO₂ (57,0%), TiO₂ (0,2%), Al₂O₃ (4,0%), FeO (2,5%), MgO (1,2%), К₂О(1,5%), S (1,2%).

История открытия шунгита необычна. Шунгит получил своё название в 1887 году от посёлка Шуньга в Карелии, расположенном на берегу Онежского озера. Сначала ученые думали использовать этот загадочный минерал как противогарное покрытие при производстве чугуна, как шихту при выплавке ферросплавов, карбида, как наполнитель резины.

Целебные свойства шунгита известны давно. В 1714 году Петр I основал в здешних краях курорт, который получил название «Марциальные воды«. Считается, что свое название, посвященное богу войны Марсу, курорт получил потому, что на водах лечились раненые и больные солдаты Петра.

Узнав об уникальных антисептических свойствах, которым обладал камень, Петр якобы приказал каждому из cвоих солдат носить кусочек шунгита (в те времена он назывался аспидным камнем) в походных ранцах. Опуская в котелки с водой кусочки камня, солдаты получали свежую, обеззараженную воду.

В 1717—1719 гг. изучением состава марциальных вод по поручению Петра 1 занимались лейб-медики Р. Арескин и Л. Блюментрост, признавшие воды полезными для лечения ряда заболеваний. Издается Указ об открытии «Марциальных вод» и «Правила дохтурские, как при оных водах поступать».

В эти же годы была опубликована статья «Подлинные дознания о действии марциальной Кончезерской воды», в которой содержится девять кратких описаний заболеваний с их исходами после лечения марциальными водами. В двадцатых годах XVIII века Петр I неоднократно лечился на «Марциальных водах». Для царя и его семьи на курорте были построены дворцы, которые, однако, быстро пришли в запустение после смерти императора. Прекратил свое существование и курорт «Марциальные воды».

Спустя десятилетия, в середине XVIII века Елизавета Петровна пыталась возродить первый российский курорт. Однако посланный в Олонецкий край лейб-медик Бугаев вернулся к императрице с заключением, что вода из местных источников не обладает никакой целительной силой. Историки утверждают, что это исследование проводилось, как теперь говорят, «на заказ», и результаты были подтасованы в интересах импортеров, ввозивших в то время дорогую минеральную воду из-за границы. В результате деятельность курорта была приостановлена более чем на полтора века. Большинство зданий и дворцов разобрано. И только в 1910 году в честь празднования 300-летия дома Романовых на месте «Царевненого ключа» был построен сруб.

Официальный упадок курорта не повлиял на местных жителей, они продолжали пользоваться живительной водой его источников. Периодически возрастал интерес к ним и ученых. Так в одном из трудов начала прошлого века, посвященном лечебным водам, грязям и морским купаниям в России и за границей, подробно характеризуются воды Марциального месторождения и сказано, что по многим параметрам они значительно превосходили воды всемирно известных курортов Мариенбада.

Новую жизнь курорт получил в 30 годы XX века, благодаря деятельности С. А. Вишневского. Он организовал экспедицию по изучению марциальных вод, результаты которой подтвердили их уникальные целебные свойства. Однако в то время восстановлению курорта помешала война, и оно возобновилось лишь в 1960 году.

Фильтры для очистки воды на основе шунгита стали изготавливать сравнительно недавно — в 1991 году. Вода, пропущенная через шунгитовый фильтр, имеет общее оздоравливающее воздействие на организм, удаляет раздражения, зуд, сыпи, восстанавливает блеск волос, эффективна при вегето-сосудистой дистонии, при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, камнях в почках.

Учёные объясняют уникальные свойства шунгита его необычной структурой. Шунгитовый углерод образует в породе матрицу, в которой равномерно распределены дисперсные силикаты со средним размером около 1 мкм. Свойства шунгитовой породы определяются двумя факторами: во-первых, свойствами шунгитового углерода, во-вторых, структурой породы, взаимоотношениями углерода и силикатов.

В конце двадцатого века ученые частично объяснили причины целебного действия шунгита. Этот минерал в основном состоит из углерода, значительная часть которого очень напоминает молекулы сферической
формы — фуллерены.

Фуллерены — особая форма углерода, которая вначале была открыта в научных лабораториях при попытке моделировать процессы, происходящие в космосе, а позднее обнаружена в земной коре.

До недавнего времени считалось, что углерод имеет только три формы существования — алмаз, графит и карбин. Эти вещества отличаются своим строением. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Такая структура определяет свойства алмаза как самого твердого вещества, известного на Земле.

Атомы углерода в кристаллической структуре графита формируют шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, прочную и стабильную сетку, похожую на пчелиные соты. Сетки располагаются друг над другом слоями, которые слабо связаны между собой. Такая структура определяет специфические свойства графита: низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки.

В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен является новой формой углерода. Уникальность фуллерена в том, что молекула С60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) – это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.

Фуллерены в составе шунгита

В фуллерене плоская сетка шестиугольников — графитовая сетка свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Природой задана четкая последовательность этого соединения — каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной связью.

Образуется структура – усеченный икосаэдр, который имеет 10 осей симметрии третьего порядка, 6 осей симметрии пятого порядка. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Каждый атом углерода в молекуле C60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы С60 — 0,357 нм. Длина связи С—С в пятиугольнике — 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм. Молекулы высших фуллеренов С70 С74, С76, С84 , С164, С192, С216 также имеют форму замкнутой поверхности. Фуллерены с n < 60 оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С20. При этом кристалл фуллерита имеет плотность 1,7 г/см3, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см3) и алмаза (3,5 г/см3).

Благодаря своему сетчато-шарообразному строению фуллерены оказались идеальными наполнителями и идеальной смазкой. Они катаются, словно шарики размером с молекулу, между трущимися поверхностями. Комбинируя внутри углеродных шаров разные атомы и молекулы, можно создавать самые фантастические материалы будущего.

Фуллерены могут использоваться в нанотехнологиях, медицине, ракетном строительстве, в военных целях, электронике, оптикоэлектронике, машинном производстве, в производстве технической продукции, компьютеров и др., и во всех случаях рабочие параметры оборудования значительно улучшаются, качество повышается, технологии становятся более эффективными и простыми.

Например, американские исследователи разработали технологию, которая позволяет на любую поверхность нанести тончайшие элементы солнечных батарей — они представляют собой многослойную полимерную пленку, содержащую все те же фуллерены. Такие элементы обладают пока примерно в четыре раза более низким коэффициентом полезного действия, чем традиционные батареи на основе кремния, но они значительно проще и дешевле в производстве. Возможно, уже в ближайшем будущем промышленность начнет выпускать солнечные батареи рулонами — как обои.

В одном из университетов Швеции в ходе опытов с фуллеренами неожиданно для самих ученых был получен слоеный материал, напоминающий фольгу, проложенную тонкими слоями бумаги. Прозрачный и гибкий материал оказался магнитом и сохранял свои свойства даже при температуре свыше 200 градусов. Его вполне возможно использовать для создания компьютерной памяти с помощью записи лазерным лучом. Благодаря этому достигается очень высокая плотность носителя информации.

Большие надежды связаны с применением фуллеренов в медицине. Почти идеальная сферическая структура молекулы фуллерена и микроскопический размер (диаметр 0.7 нм), позволяют ученым рассчитывать на то, что эти молекулы смогут создать механическое препятствие для проникновения вирусов в клетки зараженного организма. Обсуждается также и идея создания противораковых препаратов на основе водорастворимых соединений фуллеренов с внедренными внутрь радиоактивными изотопами. Введение такого лекарства в ткань позволит избирательно воздействовать на пораженные опухолью клетки, препятствуя их дальнейшему размножению. Пока основное препятствие на пути разработок связано с нерастворимостью молекул фуллеренов в воде, затрудняющей их прямое введение в организм.

Нанодифракционная картина шунгитового углерода (зонд 0,3 — 0,7 нм)

Другое препятствие — высокая цена искусственных изотопов. Стоимость фуллеренов самого высокого качества составляет около 900 долларов США за грамм, более низкого качества — около 40 долларов за грамм в зависимости от степени чистоты фуллеренов. Эти «недостатки» искусственных фуллеренов искупают фуллерены природные, которые были обнаружены в земной коре после открытия уникального вещества в научных лабораториях.

Впервые о земном существовании уникального вещества научный мир узнал после того, как один из бывших советских ученых исследовал в Аризонском университете (США) образцы карельских шунгитов, и, к удивлению, обнаружил там углеродные глобулы с фуллеренами. После этого и начался интенсивный поиск других пород, содержащих фуллерены, возникли вопросы об их происхождении на Земле.

Позднее земные фуллерены были найдены в Канаде, Австралии и в Мексике — и в каждой из этих стран они были обнаружены на местах падения метеоритов. При этом некоторые фуллерены были заполнены: внутри оболочек находились атомы гелия. Странным оказался тот факт, что фуллерены хранили не гелий-4 — изотоп, который обычно присутствует в земных породах, — а редкий для Земли изотоп гелий-3.

По мнению ученых, такие фуллерены могли образоваться только в космических условиях, в так называемых углеродных звездах или в ближайшем их окружении. Удалось определить время появления исследованных фуллеренов на Земле. Кратер от падения канадского метеорита образовался около двух миллиардов лет назад, в архейскую эру, когда Земля еще была безжизненна. Другие фуллерены были обнаружены на границе отложений пермского и триасового периодов, их возраст оценен в 250 млн. лет. Именно тогда в Землю врезался гигантский астероид, вызвавший катастрофические разрушения.
 
Распределение углерода в Зажогинских шунгитах

Шунгит обладает высокой активностью в окислительно-восстановительных процессах, сорбционными и каталитическими свойствами и находится в тесном контакте с входящими в его состав силикатами. Такая структура и свойства шунгита определяют эффективность его использования в окислительно-восстановительных процессах:

• в доменном производстве литейных (высококремнистых) чугунов;

• в производстве ферросплавов;

• в производстве фосфора;

• в производстве карбида и нитрида кремния;

• как наполнитель термостойких красок.

Именно сорбционные, каталитические и восстановительные свойства шунгитовых пород позволяют успешно очищать сточные воды от многих органических и неорганических веществ (нефтепродуктов, пестицидов, фенолов, поверхностно-активных веществ и др.).
Кроме этого, шунгит является самым эффективным веществом для очистки водопроводной воды от хлорорганических веществ (диоксинов, радикалов), обладает бактерицидными свойствами. Благодаря этим свойствам шунгит можно использовать:

• в подготовке питьевой воды высокого качества в проточных системах любой производительности, в колодцах. С помощью шунгитов наиболее просто и экономично можно решить проблему водоснабжения во многих проблемных регионах;

• в очистке городских бытовых, промышленных стоков от многих вредных веществ;

• в подготовке воды бассейнов;

• в подготовке воды ТЭЦ.

Электропроводные свойства шунгитовых пород позволили создать широкую гамму электропроводных материалов:

• электропроводную краску;

• электропроводные бетоны, кирпичи, штукатурные растворы;

• электропроводные асфальты.

На основе этих материалов разработаны нагреватели, созданы помещения, экранирующие электромагнитные излучения, показана возможность создания теплых тротуаров и дорог, показан способ простого удаления льда с дорог. При размалывании шунгитов получаются порошки, смешивающиеся с любыми компонентами органической и неорганической природы. Это свойство шунгитовых порошков позволяет использовать их в качестве:

• черного пигмента красок на различной основе (масляных и водных);

• наполнителя полимерных материалов (полиэтилена, полипропилена, фторопласта).

• заменителя белой сажи и техуглерода в составе резин.

Распределение диоксида кремния

Также на основе шунгитовых пород созданы препараты, обладающие биологической активностью. Применение таких препаратов в агрономии позволило повысить урожайность картофеля и значительно увеличить его стойкость к заболеваниям, в звероводстве — улучшить качество пушнины.

Известно, что воды, выходящие из шунгитовых толщ, обладают целебными свойствами. Этими водами лечат многие заболевания, в т. ч. дерматологические, аллергические. Подобными свойствами обладают водные настои на шунгите. Поэтому шунгитовые настои полезно иметь в каждом доме, используя их для ускорения заживления ран, для снятия зуда от насекомых и для улучшения состояния кожи.

Единственное месторождение шунгитовых пород – Зажогинское, находится в Медвежьегорском районе Республики Карелия в 5 км от судоходной губы Онежского озера. Производственная мощность предприятия по добыче и переработке шунгита — 200 тыс. тонн в год. Шунгитные запасы Зажогинского месторождения составляют 35 млн тонн. В настоящее время предприятие поставляет шунгит для доменного производства литейного чугуна, водоочистки и производства тонких порошков. При производстве литейного чугуна 1 тонна шунгита заменяет 1,3 тонны кокса. Использование шунгита обеспечивает глубокую очистку сточных вод от нефтепродуктов.

www.newchemistry.ru