Fuleren

Z Wikipedii

Fulereny (fullereny) (ang. fulleren od nazwiska R. Buckminster Fullera – patrz końcówka artykułu) – związki chemiczne składające z kilkudziesięciu, kilkuset a nawet ponad tysiąca atomów węgla, tworzące zamkniętą, regularną, pustą w środku kulę, elipsoidę lub rurkę. Własności chemiczne fulerenów są zbliżone pod wieloma względami do węglowodorów aromatycznych. Niektórzy uważają, że fulereny są odmianą alotropową węgla.

Spis treści 1 Budowa fulerenów 2 Właściwości 3 Występowanie i otrzymywanie 4 Historia odkrycia fulerenów

[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.

Kolejnymi znanymi fulerenami są C₁₂₀ i C₁₄₀. Oprócz tego na bazie fulerenów można otrzymywać nanorurki, które są długimi walcami uzyskane ze zwinięcia sześciokątnej, pozbawionej defektów płaszczyzny grafitowej, które można z obu stron domknąć połówkami C₆₀. Najkrótszą nanorurką, z formalnego punktu widzenia, jest C₇₀, najdłuższe zaś (na rok 2003) mają ponad 100 metrów długości.

Do rodziny fulerenów zaliczamy: fulereny właściwe (C₆₀, C₇₀), nanocebulki (fulereny wielowarstwowe), fulererny olbrzymie (ilość atomów węgla powyżej 500), nanorurki.

[edytuj] Właściwości

Fulereny są czarnymi ciałami stałym 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.

Fulereny należą do związków trudno 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. Tworzą się wtedy kolorowe roztwory. Roztwór C₆₀ w benzenie ma barwę rubinową, zaś C₇₀ – zieloną.

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:

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

[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. Czasami też powstaje po uderzeniu pioruna w drzewo iglaste.

Fulereny otrzymuje się poprzez bombardowanie promieniem laserowym obracającej się tarczy grafitowej w atmosferze helu (10 atm). Ciśnienie i temperatura gazu odgrywają w tym procesie znaczącą rolę. 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 z benzenu oraz toluenu, zwykle poprzez HPLC.

[edytuj] Historia odkrycia fulerenów

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. W mniej więcej w tym samym czasie zespół naukowy z Uniwersytetu Rice w Dallas, 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 zespół z Uniwersytetu Rice i Harold Kroto 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 wodoru, która otworzyła drogę do praktycznego zastosowania tych związków, lecz nie zostali uwzględnieni w nagrodzie Nobla.

Nazwa "fuleren" pochodzi od amerykańskiego architekta R. Buckminster Fullera, który wymyślił pokrycia hal w postaci tzw. kopuł geodezyjnych, opartych o kratownice pokryte płytami w kształcie wielokątów foremnych. 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. 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"), 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.