Fulerenai (C60): anglies molekulės, buckyballs ir nanovamzdeliai

Fulerenai (C60): sužinok apie anglies molekules — buckyballs, nanovamzdelius, jų struktūrą, sintezę, istoriją ir technologijų panaudojimą bei vizualizacijas.

Fulerenas – tai bet kokia molekulė, sudaryta tik iš anglies, turinti tuščiavidurio rutulio, elipsoido arba vamzdelio formą. Sferiniai fulerenai dažnai vadinami buckyballs ir vizualiai primena futbolo kamuolius; cilindriniai – anglies nanovamzdeliai arba buckytubes. Dauguma sintetintų fulerenų yra tuščiavidurio rutulio arba vamzdelio formos. Fulerenus 1985 m. atrado Robertas Curlas, Haroldas Kroto ir Richardas Smalley Sasekso ir Rice'o universitetuose; atradimas vėliau 1996 m. buvo įvertintas Nobelio premija chemijoje. 1985 m. naujam anglies alotropui buvo suteiktas pavadinimas, dedikuotas Buckminsterio Fullerio vardui, nes jo geodeziniai kupolai primena fulerenų struktūras.

Struktūra ir pavyzdžiai

Žymiausias fulerenas yra C60, sudarytas iš 60 anglies atomų, išdėstytų kaip truncated icosahedron – 12 penkiakampių ir 20 šešiakampių plokštelių. Kiekvienas anglies atomas yra sp2 hibridizuotas, o molekulė pasižymi dideliu stabilumu dėl delokalizuotų π-elektronų. Dėl panašios geometrijos C60 dažnai vadinamas „buckyball“.
Kiti dažni tipai: C70 (elonguotesnė, elipsoidinė forma), didesni fulerenai (C76, C84 ir pan.) bei endohedraliniai fulerenai (anglies kietoje tūbelėje įkalinti atomai arba jonai).

Gamyba ir sintezės būdai

Fulerenai paprastai gaminami aukštos temperatūros sąlygomis. Tipiški metodai:

• Elektros lankas (arc-discharge) – grafitas kaitinamas elektros lanku, aplinka užpildoma inertinėmis dujomis (pvz., heliu arba argonui), susidaro anglies garai, kuriuose kondensuojasi fulerenai. Tai buvo vienas iš pirmųjų metodų ir dažnai duoda daug C60 bei C70.
• Lazerio garinimas – grafito plokštelė garinama lazeriu aukštoje temperatūroje; gaunami fulerenai su geresne kontrole dėl sudėties.
• Cheminė garų nusodinimo (CVD) – ypač naudojama gaminant anglies nanovamzdelius (nanotubes), taip galima išauginti vienos arba kelių sienelių vamzdelius ant katalizatorių paviršių.

Po sintezės fulerenai dažnai išskiriami tirpikliais (pvz., toluolu), valomi chromatografija (HPLC), garinami ar kitaip rafinuojami, kad būtų gautas grynas C60, C70 ar kiti dariniai.

Pagrindinės savybės

• Struktūrinės: sferinė ar elipsoidinė molekulė su simetrija (ypač C60 turi labai aukštą icosahedrinę simetriją).
• Elektroninės: fulerenai veikia kaip geros π-elektronų talpyklos ir dažnai yra stiprūs elektronų akceptoriai – tai svarbu organinėje elektronikoje (pvz., saulės elementuose).
• Optinės: turi charakteringas absorbcijos spektro linijas, fluorescenciją ir fotochemines savybes.
• Mokslinės ir fizikinės: kai kurie fulleridai (pvz., alkaliai dopinti C60) rodo aukštą elektrinį laidumą arba netgi superlaidumą (pvz., K3C60).
• Mеханinės: didelis stiprumas ir standumas nanoskale, ypač nanovamzdelių atveju.

Nanovamzdeliai (anglies nanotubes)

Anglies nanovamzdeliai (single-walled SWNT ir multi-walled MWNT) yra cilindrinės fulerenų giminės struktūros. Svarbūs aspektai:

• Chiralumas: vamzdelio „vyniojimo“ kampas (armchair, zigzag, chiral) lemia elektronines savybes: kai kurie yra metaliniai, kiti – puslaidininkiniai.
• Taikymas: elektronikoje, kompozituose (sustiprinant medžiagas), energijos saugojime (baterijos, kondensatoriai), jutikliuose ir biomedicinoje (pagrindinis klausimas – biokompatibilumas ir toksiškumas).

Taikymas

Fulerenai ir jų dariniai turi platų potencialių pritaikymų spektrą:

• Organinė fotovoltaika (fulerenai kaip elektronų akceptoriai partneriai su donoriniais polimerais).
• Nanokompozitai – didinti medžiagų mechanines ir laidumo savybes.
• Katalizė ir paviršių modifikacija.
• Medicininės galimybės: cheminių darinių naudojimas kaip vaistų nešėjai (endohedraliniai fulerenai, konjugatai), antioksidacinės savybės, tačiau tai reikalauja atsakingų saugumo tyrimų.
• Elektronikos komponentai, jutikliai, vandenilio saugojimas (tyrimų laukas) ir lubrikantai.

Deriniai ir modifikacijos

Fulerenai gali būti langaiti arba cheminiai modifikuojami:

• Fulleridai – joniniai junginiai, susidarę pridedant metalų ar kitų atomų (pvz., alkalių) prie C60; kai kurie fulleridai yra laidūs arba superlaidūs.
• Endohedraliniai fulerenai – atomai arba klasteriai inkorporuoti į fulereno vidų, suteikiantys naujų elektroninių ar magnetinių savybių.
• Funkcionalizavimas (pridėjus organines grupes) – gerina tirpumą vandenyje, sąveiką su biologinėmis molekulėmis arba integraciją į polimerus.

Sauga ir aplinkos klausimai

Nors fulerenai turi daug pažadų, svarbu atkreipti dėmesį į saugumo ir ekologinius aspektus:

• Tyrimai apie toksinį poveikį yra nevienareikšmiai – kai kurie fulerenai ir nanovamzdeliai gali kelti oksidacinį stresą ląstelėms ar turėti uždegiminių efektų; biopoveikis priklauso nuo dydžio, paviršinės modifikacijos ir dozės.
• Apdorojant fulerenus laboratorijose, rekomenduojama naudoti tinkamą ventiliaciją, apsauginius pirštines ir akių apsaugą bei vengti įkvėpimo.
• Aplinkos išmetimai ir persistencija – reikia daugiau tyrimų, kaip fulerenai elgiasi aplinkoje ir ar kaupiasi maisto tinkle.

Santrauka

Fulerenai (C60 ir kiti) atvėrė naują nanomokslų era: nuo įdomių simetrijos struktūrų iki praktinių taikymų elektronikoje, medžiagų moksluose ir medicinoje. Tolesni tyrimai apie jų fizines savybes, chemines modifikacijas ir saugų naudojimą leis labiau išnaudoti šių unikalių anglies alotropų potencialą.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra fulerenas?

K: Kas atrado fulereną?

K: Kodėl jis pavadintas Buckminsterio Fullerio vardu?

K: Kaip gaminami fulerenai?

K: Ką reiškia C60?

K: Ką reiškia C60 tinklas?

Paieška pagal raidę