Mai plin; născut

Un fuleren este o moleculă compusă din carbon care poate lua o formă geometrică care amintește de o sferă, un elipsoid, un tub sau un inel.

Categorii:

Fulleren - Nanomaterial - Material - Formă de carbon

A fullerene este o moleculă compusă din carbon care poate lua o formă geometrică care amintește de o sferă, un elipsoid, un tub (numit nanotub) sau un inel. Fullerenele sunt la fel ca grafitul, constând din foi de inele hexagonale legate, dar care conțin inele pentagonale și uneori heptagonale, ceea ce împiedică foaia să fie plană.

Fullerenele au fost descoperite în 1985 de Harold Kroto, Robert Curl și Richard Smalley, câștigându-le Premiul Nobel pentru chimie în 1996.

Primul fulleren descoperit, C60 este format din 12 pentagone și 20 de hexagone, fiecare vârf corespunzând unui atom de carbon și fiecare parte unei legături covalente. Are o structură similară cu o cupolă geodezică sau o minge de fotbal. Din acest motiv, este denumit „buckminsterfullerene” (în onoarea arhitectului Buckminster Fuller care a proiectat cupola geodezică) sau „footballene”.

Istoric

Existența C60 a fost prezisă de Eiji Osawa de la Universitatea Tehnică Toyohashi în 1970. El a observat că structura moleculei de coranulenă era un subset al unei forme de minge de fotbal și a făcut ipoteza că ar putea exista o formă completă de minge de fotbal. Ideea sa a fost preluată în ziarele japoneze, dar nu a ajuns la publicul european și american.

În anii 1980, Kroto și colab. a vrut să înțeleagă mai bine mecanismele de formare a lanțurilor lungi de carbon în spațiul interstelar. În acest scop, au vaporizat un disc de grafit prin ablație laser și au demonstrat existența unor agregate stabil stabile care conțin 60 de atomi de carbon. În experimentele cu fascicul molecular, s-au observat vârfuri discrete, corespunzătoare moleculelor cu masa exactă de 60, 70 sau mai mulți atomi de carbon. La 4 septembrie 1985, Harold Kroto, James R. Heath, Sean O'Brien, Robert Curl și Richard Smalley au descoperit C60 [1] și, la scurt timp, au descoperit fulerenele. Kroto, Curl și Smalley au primit Premiul Nobel pentru chimie în 1996 pentru rolurile lor în descoperirea acestei clase de compuși.

C60 și alte fulerene au fost observate ulterior în afara laboratoarelor: cantități mici de fulereni, sub formă de molecule C60, C70, C76 și C84, sunt produse în natură, în funingine în timpul arderii și în fulgere prin atmosferă. Prezența fullerenelor C60 și C70 în spațiul interstelar a fost demonstrată în 2010 prin spectroscopie în infraroșu în nebuloasa planetară Tc1 [2] .

În 1991, a fost ușor să se producă cantități de gram de pudră de fuleren folosind tehnicile lui Donald Huffman și Wolfgang Krätschmer [3]. În secolul 21, purificarea fullerenei rămâne o provocare pentru chimiști și determină foarte mult prețul acesteia. Fullerenele endoedrice, de exemplu, încorporează ioni și molecule mici în structura lor. Fullerena are un comportament neobișnuit în multe reacții organice, cum ar fi reacția Bingel descoperită în 1993.

Variații

De la descoperirea fulerenelor în 1985, variațiile structurale ale fulerenelor descoperite depășesc fragmentele în sine. De exemplu, există:

• buckyballs: cel mai mic este C20 și cel mai comun este C60;
• nanotuburi: tuburi goale de dimensiuni foarte mici, având unul sau mai mulți pereți, cu aplicații potențiale în industria electronică;
• megatube: cu diametre mai mari decât nanotuburile și cu pereți de lățimi diferite, care pot fi utilizate pentru transportul soiurilor de molecule de diferite dimensiuni;
• polimeri: lanțuri bidimensionale care se formează sub presiune ridicată la temperaturi ridicate;
• nano „ceapă”: particule sferice bazate pe mai multe straturi de carbon care înconjoară un miez de buckyball, oferite ca lubrifianți;
• dimeri de legare a lanțului și a bilelor: două buckyballs legate printr-un lanț de carbon;
• inele fullerene.

În 1997, fulerenele au fost găsite într-un mineral cunoscut sub numele de shungit în Republica Karelia, Rusia [4] .

Buckyballs

Buckminsterfullerene

C60 a fost numit buckminsterfullerene în onoarea lui Richard Buckminster Fuller, un renumit arhitect care a popularizat cupola geodezică. Deoarece Buckminsterfullerenele aveau aceeași formă ca cupola, numele a fost recunoscut ca relevant. Descoperirea familiei fullerene a venit după buckminsterfullerene, denumirea a fost scurtată pentru a ilustra că aceasta din urmă este un tip de fullerene.

Buckminsterfullerena (cod IUPAC: (C60-Ih) [5, 6] fulleren) este cea mai mică moleculă de fulleren în care doi pentagoni nu au o parte (care poate fi destabilizantă). Este cel mai frecvent în ceea ce privește apariția naturală, deoarece poate fi găsit în funingine.

Structura C60 este un icosaedru trunchiat (T = 3), care este comparabil cu o minge de fotbal formată din 20 de hexagoane și 12 pentagone, cu un atom de carbon în partea de sus a fiecărui poligon și o legătură pe ambele părți ale poligonului.

Diametrul Van der Waals al moleculei C60 este de aproximativ un nanometru (nm). Diametrul nucleului moleculei C60 este de aproximativ 0,7 nm .

Molecula C60 are o lungime a legăturii chimice de 2. Legătura inelară 6: 6 (între doi hexagoni) poate fi recunoscută ca o legătură covalentă și este mai scurtă decât legăturile 6: 5 (între un hexagon și un pentagon).

Soiuri

C70 este un alt fulleren comun, dar pot fi obținuți fullereni cu 72, 76, 84 și chiar până la 100 de atomi de carbon.

Cel mai mic fuleren este dodecaedrul, C20. Nu există fulereni cu 22 de vârfuri. Numărul de fulereni C2n crește cu n = 12, n = 13, n = 14 etc. proporțional cu n. De exemplu, există 1.812 fulereni C60 neizomorfi. O formă de C60, un fulleren trunchiat de icosaedru, nu are pereche de pentagoni adiacenți (cel mai mic fulleren de acest tip). Există 214.127.713 fulereni C200 neizomorfi, dintre care 15.655.672 fulereni nu au pentagoni adiacenți [5] .

---