Fulereny
Z Wikipedii
Fulereny (fullereny) (ang. fulleren od nazwiska R. Buckminster Fullera – patrz końcówka artykułu) – cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w środku bryłę. Fulereny mogą być zbudowane z 28 do nawet 1500 atomów węgla. Własności chemiczne fulerenów są zbliżone pod wieloma względami do węglowodorów aromatycznych. Fuleryt, kryształ molekularny zbudowany z fulerenów, jest odmianą alotropową węgla.
Spis treści |
[edytuj] Budowa fulerenów
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, czyli wygląda dokładnie tak jak piłka futbolowa. C70, natomiast, posiada 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 2003) mają ponad 100 mikrometrów długości.
Do rodziny fulerenów zaliczamy: fulereny właściwe (C60, C70), nanocebulki (fulereny wielowarstwowe), fulereny olbrzymie (ilość atomów węgla powyżej 500), nanorurki (walec z warstw grafenowych).
[edytuj] Właściwości
Fuleryty 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. M.in. ulegają reakcji addycji Friedla-Craftsa. Ich unikalną własnością jest możliwość zamykania w ich wnętrzu cząsteczek. Gęstość wynosi 1,65g/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 lub toluen i w czterochlorku węgla. 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 unikalnych 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
[edytuj] Występowanie i otrzymywanie
Fulereny występują w niewielkich ilościach w sadzy węglowej oraz w przestrzeni kosmicznej w otoczeniu wygasłych gwiazd, odkryto także obecność pewnej ilości fulerenów w niektórych skałach. Przykładem jest szungit w Rosji.
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 otrzymuje się tzw. sadzę fulerenową, 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.
[edytuj] Historia odkrycia fulerenów
Ta sekcja wymaga dopracowania zgodnie z zaleceniami edycyjnymi. Należy w niej poprawić: styl z gawędziarskiego na encyklopedyczny. Po naprawieniu wszystkich błędów można usunąć tę wiadomość. |
Fulereny zostały odkryte dość przypadkowo. 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, Teksas, USA, 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.
Harlod 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 d, 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.
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 używana przez 36 lat (1970-2006), wzór piłki nożnej (Buckminster Ball). 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 E. Osawa (E. Osawa, "Kagaku", t. 25(9) (1970) str. 854). Inni członkowie zespołu Smalleya zaczęli konstruować podobne modele kolejnych fulerenów sferycznych, a także zauważyli, że można na ich bazie konstruować rurki.
Na cześć konstruktora kopuły w Dallas, od której zaczęła się cała historia, zaczęli oni między sobą nazwać 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.