Fulereny

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Kulista cząsteczka C60
Elipsoidalna cząsteczka C70
Animacja cząsteczki C60

Fulereny (fullereny) (ang. fullerenes) – cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w środku bryłę. Cząsteczki fulerenów zawierają od 28 do ok. 1500 atomów węgla.

Właściwości chemiczne fulerenów są zbliżone pod wieloma względami do węglowodorów aromatycznych. Fuleren C60, zwany czasem fulerytem przez analogię do grafitu, jest odmianą alotropową węgla.

Etymologia nazwy i historia odkrycia[edytuj | edytuj kod]

Za inicjatora tego odkrycia uważa się Harolda Kroto, z Uniwersytetu Sussex, z południowej Anglii, który badając w ramach swojej pracy doktorskiej przemiany związków węgla zachodzące w okolicach wygasłych gwiazd, metodami spektroskopowymi, odkrył charakterystyczne wąskie linie spektralne, które odpowiadały aromatycznym związkom węgla.

Mniej więcej w tym samym czasie zespół naukowy z Uniwersytetu Rice w Houston w Teksasie, w skład którego wchodzili James Heath, Sean O'Brien, Robert Curl i Richard Smalley, opracował zestaw do syntezy związków organicznych w wyniku naświetlania promieniem lasera obracającej się tarczy grafitowej. Otrzymano w tych warunkach szereg bardzo nietypowych związków o budowie klatkowej. Wzbudziło to duże zainteresowanie Harolda Kroto, który zauważył, że warunki panujące podczas tych syntez są bardzo podobne do warunków, jakie panują w gwiazdach. Nasunęło to myśl, by wykorzystać to urządzenie do syntezy pochodnych węgla.

Harold Kroto dołączył do tego zespołu w 1985 roku w ramach stażu podoktorskiego. Wspólnie z Richardem Smalleyem podjęli się badań nad otrzymaniem związków węgla o dużej masie cząsteczkowej. Już pierwszego dnia odkryto tajemniczy związek o masie cząsteczkowej 720 u, który występował w większym stężeniu niż wszystkie inne. Dokładne przemyślenia doprowadziły ich do struktury „piłki futbolowej”. Następnie na drodze obliczeń kwantowo-mechanicznych dowiedli, że związek taki powinien generować dokładnie jedną linię w widmie 13C NMR, ściśle odpowiadającą widmu związku uzyskanego przez Harolda Kroto i zespołu z Uniwersytetu Rice.

Za odkrycie fulerenów Harold Kroto z Uniwersytetu Sussex w Brighton (Wielka Brytania) oraz zespół R.E. Smalley i R.F. Curl jr. z Uniwersytetu Rice w Huston (Teksas, USA) w 1996 roku otrzymali Nagrodę Nobla z dziedziny chemii. Harold Kroto kontynuował badania nad fulerenami na Uniwersytecie Sussex, m.in. wyodrębniając je w bardzo żmudny sposób z sadzy i rozpoczął badania ich własności chemicznych. W 1990 roku niemieccy badacze W. Kratschmar i D. Huffman po raz pierwszy opublikowali względnie tanią i wydajną metodę syntezy fulerenów poprzez kontrolowane spalanie węgla w łuku elektrycznym w atmosferze helu, która otworzyła drogę do praktycznego zastosowania tych związków, lecz nie zostali uwzględnieni w nagrodzie Nobla.

Zgodnie z opowieściami Harolda Kroto, widok kopuły geodezyjnej skonstruowanej z pięcio- i sześciokątów, którą widział podczas Światowej Wystawy zainspirowała ich obu do wspólnego skonstruowania pierwszego modelu fulerenu C60. Model taki dla klasterów węglowych zaproponował już w 1970 Eiji Osawa[1]. Inni członkowie zespołu Smalleya zaczęli konstruować podobne modele kolejnych fulerenów sferycznych, a także zauważyli, że można na ich bazie konstruować rurki.

Nazwa „fuleren” pochodzi od nazwiska amerykańskiego architekta R. Buckminster Fullera, który wymyślił pokrycia hal w postaci tzw. kopuł geodezyjnych, opartych o kratownice pokryte płytami w kształcie wielokątów foremnych. Na tej konstrukcji oparty był również, zatwierdzony przez FIFA i używany przez 36 lat (1970-2006), wzór piłki nożnej (Buckminster Ball).

Dwudziestościan ścięty i piłka nożna

Na cześć konstruktora kopuły w Dallas, zaczęli oni między sobą nazywać w żartach tego rodzaju związki „Bucky balls” (czyli w wolnym tłumaczeniu „jaja Buckiego” lub „piłki Buckiego”), co zostało w pierwszej publikacji przerobione na bardziej poważnie brzmiącą nazwę „Buckminster fulleren”, z której to nazwy wywiedziona została nazwa dla całej klasy tego rodzaju związków.

Budowa fulerenów[edytuj | edytuj kod]

Fuleren olbrzymi: C540

Powierzchnia fulerenów składa się z układu sprzężonych pierścieni składających się z pięciu i sześciu atomów węgla. Najpopularniejszy fuleren, zawierający 60 atomów węgla (tzw. C60) ma kształt dwudziestościanu ściętego. Natomiast C70 zawiera dodatkowy pierścień atomów węgla.

Szczególnymi izomerami strukturalnymi fulerenów są nanorurki, będące długimi walcami uzyskanymi ze zwinięcia, pojedynczej płaszczyzny grafitowej, domknięte z obu stron połówkami fulerenów odpowiedniej wielkości. Najkrótszą nanorurką, z formalnego punktu widzenia, jest C70, najdłuższe zaś (na rok 2008) mają ponad 2 centymetry długości.

Do rodziny fulerenów zaliczamy:

  • fulereny właściwe (C60, C70),
  • nanocebulki (fulereny wielowarstwowe),
  • fulereny olbrzymie (ilość atomów węgla powyżej 500),
  • nanorurki (walec z warstw grafenowych).

Właściwości[edytuj | edytuj kod]

Kryształy fulerenu C60

Fulereny są czarnymi ciałami stałymi o metalicznym połysku. Posiadają własności nadprzewodzące i półprzewodnikowe. Ich własności chemiczne są zbliżone do sprzężonych węglowodorów aromatycznych, choć reakcje z ich udziałem wymagają zwykle drastyczniejszych warunków. Ulegają, między innymi, reakcji addycji Friedla-Craftsa. Ich unikatową własnością jest możliwość zamykania w ich wnętrzu innych cząsteczek. Gęstość wynosi 1,65 g/cm³

Fulereny należą do związków słabo rozpuszczalnych. Nie rozpuszczają się w polarnych rozpuszczalnikach praktycznie wcale. Najlepiej (choć też nie za dobrze) rozpuszczają się w rozpuszczalnikach aromatycznych, takich jak benzen czy toluen oraz w CCl4. Tworzą się wtedy kolorowe roztwory. Roztwór C60 w benzenie ma barwę fioletową, zaś C70 – rubinową.

Na początku wydawało się, że są one tylko kolejną „ciekawostką przyrodniczą”, w toku badań okazało się jednak, że mogą znaleźć wiele praktycznych zastosowań. Można je przyłączać do polimerów, uzyskując w ten sposób środki smarujące i tworzywa o unikatowych własnościach elektrooptycznych. Można je funkcjonalizować na powierzchni i łączyć razem, otrzymując układy katalityczne o bardzo rozwiniętej powierzchni. Można zamykać wewnątrz fulerenów atomy pierwiastków. Dotychczas udało się zamknąć praktycznie wszystkie pierwiastki z układu okresowego. Można także umieszczać wewnątrz nich odpowiednio małe cząsteczki innych związków chemicznych.

Modyfikowane fulereny dzieli się na:

  • egzohedralne – fulereny modyfikowane powierzchniowo – do których powierzchni są przyłączone rozmaite grupy funkcyjne, np.: po przyłączeniu grupy hydroksylowej otrzymuje się fulerenole
  • endohedralne – zawierająca wewnątrz swej „klatki” inne atomy lub cząsteczki
  • heterofulereny – mająca jeden lub więcej atomów węgla w cząsteczce zastąpione przez inne atomy, np. azotu

Otrzymywanie[edytuj | edytuj kod]

Fulereny otrzymuje się poprzez bombardowanie promieniem laserowym obracającej się tarczy grafitowej w supersonicznym strumieniu helu. Obecnie najbardziej popularną i wydajną metodą otrzymywania fulerenów jest metoda płomieniowa. Polega ona na spalaniu substancji organicznych (najczęściej jest to toluen). Dzięki tej metodzie produkcja fulerenów na świecie wynosi obecnie kilkanaście ton. W wyniku tego procesu otrzymywana jest tzw. sadza fulerenowa, będącą mieszanką wielu fulerenów. W celu oczyszczenia i rozdzielenia stosuje się wieloetapową ekstrakcję, najczęściej przy użyciu jako rozpuszczalnika benzenu lub toluenu. Separacja poszczególnych typów fulerenów następuje z wykorzystaniem wysokowydajnej chromatografii cieczowej HPLC.

Występowanie naturalne[edytuj | edytuj kod]

Fulereny występują w niewielkich ilościach w sadzy węglowej, pewna ilość tych cząstek występuje w niektórych ziemskich skałach. Przykładem jest szungit znajdowany w Rosji.

Fulereny zostały także wykryte w przestrzeni kosmicznej, w 2010 roku, przez Kosmiczny Teleskop Spitzera. Cząsteczki występują jako gaz w przestrzeni międzygwiezdnej i w mgławicach planetarnych pozostałych po śmierci gwiazd[2]. W 2012 roku Teleskop Spitzera wykrył fulereny także w postaci ciała stałego, czyli fulerytu, w pobliżu gwiazdy podwójnej XX Ophiuchi[3].

Przypisy

  1. E. Osawa. Superaromaticity. „Kagaku”. 25 (9), s. 854-863, 1970 (jap.). 
  2. Space Buckyballs Thrive, Finds NASA’s Spitzer Space Telescope (ang.). ScienceDaily, 2010-10-27. [dostęp 2012-02-23].
  3. NASA’s Spitzer Finds Solid Buckyballs in Space (ang.). ScienceDaily, 2012-02-22. [dostęp 2012-02-23].

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]

Commons in image icon.svg