Fulereni: votle ogljikove molekule (C60, buckyballs, nanocevke)

Fuleren je molekula, ki je v celoti sestavljena iz ogljika in ima obliko votle krogle, elipsoida ali cevi. Sferični fulereni se imenujejo tudi buckyballs in so podobni žogam, ki se uporabljajo v nogometu. Cilindrične se imenujejo ogljikove nanocevke ali buckytubes. Običajno so izdelani v obliki votle krogle ali cevi. Fuleren so leta 1985 odkrili Robert Curl, Harold Kroto in Richard Smalley na Univerzi v Sussexu in Univerzi Rice, poimenovali pa so ga po Buckminstru Fullerju, ker so njegove znamenite geodetske kupole podobne oblike.

Fulereni nastajajo s segrevanjem grafita v električnem loku ob prisotnosti inertnih plinov, kot sta helij ali argon.

Struktura in vrste fulerenov

Najbolj znan fuleren je C60 — sestavljen iz 60 ogljikovih atomov, razporejenih v obliki izprijene krogle z izredno simetrijo (icosaedrična simetrija, oznaka Ih). Kletka C60 vsebuje 12 pentagonov in 20 heksagonov, podobno kot nogometna žoga. Obstajajo tudi drugi fulereni, npr. C70 (podolgovata oblika), C76, C84 in številni večji. Poleg sferičnih oblik so pomembne tudi:

• Ogljikove nanocevke (CNT) — valjaste strukture, lahko enonitne (single-walled, SWNT) ali večplastne (multi-walled, MWNT). Nanocevke imajo velike razmerje dolžine proti premeru in edinstvene mehanske ter električne lastnosti.
• Endohedralni fulereni — atomi ali manjše molekule ujete znotraj ogljikove kletke (npr. He@C60, metallofullereni z vstavljeno kovino).
• Polimerni in kristalini fulereni — v trdnem stanju se fulereni lahko povežejo v kristale ali polimere z različnimi lastnostmi.

Elektronske in fizikalne lastnosti

Fulereni imajo zanimive elektronske lastnosti: C60 je dober sprejemnik elektronov (lahko deluje kot elektronsprejemnik v organskih sončnih celicah) in ima značilne spektroskopske signale v UV‑VIS, IR in Raman spektroskopiji. Kristalinični C60 (pehno znan kot fullerits) je sorazmerno mehko trdno telo s slabo prevodnostjo, dokler ni dopirano z alkalijskimi kovinami — takrat se pojavijo elektronske šibke vezi, magnetizem in celo superprevodnost v alkaloidnih fulleridih.

Izdelava in ločevanje

Najpogostejši postopki proizvodnje fulerenov so:

• Električni lok — izhlapevanje grafitnih elektrod v inertnem plinu (klasična metoda za C60 in C70).
• Laser ablacijo — izhlapevanje grafitne tarče z močnim laserjem; ta metoda omogoča bolj nadzorovano tvorbo različnih fulerenov.
• Kemične poti in CVD — za specifične nanostrukture, zlasti za rast nanocevk (Chemical Vapor Deposition).

Po sintezi se fulereni nahajajo v sajni; izolirajo se z ekstrakcijo s topili (npr. toluen, benzen) in nadaljnjo ločitvijo z visoko zmogljivo tekočinsko kromatografijo (HPLC) ali z drugimi separacijskimi tehnikami, da se pridobi čisti C60, C70 in drugi fulereni.

Kemija in funkcionalizacija

Fulereni niso inertni — možne so številne kemijske reakcije, ki dodajajo funkcijske skupine na ogljikovo kletko (exohedralna funkcionalizacija):

• Cikloadicijske reakcije (npr. Diels–Alder), dodatki halogenov, hidrogradacija (hidrogenacija) in addukti preko radikalnih postopkov.
• Endohedralno polnjenje z atomi/ioni omogoča spreminjanje magnetnih in elektronskih lastnosti.

Funkcionalizacija povečuje topnost v polarnich topilih in omogoča vezavo na biološke molekule ali polimere, kar odpira pot do aplikacij v biologiji in tehnologiji.

Uporaba

• Elektronika in optoelektronika: kot akceptorji v organskih sončnih celicah, komponenta v tranzistorjih in v svetlečih napravah.
• Materiali: polnjenje polimerov z nanomateriali, visoka trdnost in edinstvene mehanske lastnosti nanocevk.
• Superprevodnost: alkalijsko dopirani fulleridi (npr. K3C60 in podobni) kažejo superprevodnost pri temperaturah v nekaj deset kelvinih; nekateri sistemi dosežejo tudi višje Tc pod pritiskom.
• Medicina in biologija: raziskujejo jih kot nosilce zdravil, antioksidante ali kot kontrastna sredstva; varnost in biokompatibilnost močno odvisna od funkcionalizacije.
• Kataliza in shranjevanje energije: potencialno v baterijah, superkondenzatorjih in kot katalizatorji ali nosilci katalizatorjev.

Analitične metode

Za preučevanje fulerenov se uporabljajo: masna spektrometrija (MS), jedrska magnetna resonanca (NMR), UV‑VIS spektroskopija, IR in Raman spektroskopija, rentgenska difrakcija (XRD) ter elektronska mikroskopija (TEM, SEM) za nanocevke.

Varnost in okoljski vidiki

Fullereni in nanocevke lahko v nekaterih okoliščinah povzročijo biološke učinke (npr. tvorbo reaktivnih kisikovih vrst pri izpostavljenosti svetlobi). Toksikologija je kompleksen in aktiven področje raziskav: strupenost in biodistribucija sta močno odvisni od velikosti, oblike, čistosti in površinske funkcionalizacije. Zato je pri delu s temi materiali potrebna previdnost, ustrezna zaščita in zaprti postopki za omejevanje sproščanja v okolje.

Zgodovinski pomen in nagrade

Odkritje fulerenov je znatno vplivalo na nanotehnologijo in kemijo ogljika. Leta 1996 sta Robert Curl, Harold Kroto in Richard Smalley prejeli Nobelovo nagrado za kemijo za odkritje fulerenov, kar je spodbudilo širok raziskovalni interes in razvoj novih materialov na osnovi ogljika.

Fulereni ostajajo eno najbolj aktivnih in obetavnih področij v materialni znanosti in nanotehnologiji — zaradi svoje raznolike kemije, posebnih fizikalnih lastnosti in številnih možnih aplikacij v prihodnosti.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je fuleren?

V: Kdo je odkril fuleren?

V: Zakaj je poimenovan po Buckminstru Fullerju?

V: Kako so fulereni izdelani?

V: Kaj pomeni C60?

V: Na kaj se nanaša omrežje C60?

Išči po črki