Fullereni
Fullerenii constituie o clasă de substanțe alotropice moleculare de carbon . Moleculele de fuleren, realizate în întregime din carbon, iau o formă similară cu o sferă goală, un elipsoid sau un tubular. Fullerenele în formă de sferă sau elipsoid sunt numite buckyballs, în timp ce cele de formă tubulară sunt numite buckytube sau nanotuburi de carbon .
Fullerenele sunt similare din punct de vedere structural cu grafitul format din inele hexagonale conectate între ele pe un plan, dar diferă în unele inele de formă pentagonală sau uneori heptagonale care împiedică o structură plană. Structura plană, constând exclusiv din inele hexagonale, se numește în schimb grafen . Cea mai mică și mai răspândită fulerenă în care nici o pereche de pentagone nu are o margine, deoarece această împărțire ar fi destabilizantă, este buckminsterfullerena . Structura buckminsterfullerenei este aceea a unui icosaedru trunchiat format din hexagoane și pentagone, ca o minge de fotbal, în vârful căreia se află un atom de carbon și ale cărui margini reprezintă legăturile. Numele acestei fulerene se referă la asemănarea cu domurile geodezice favorizate de arhitectul Richard Buckminster Fuller .
Un nanotub de carbon polimerizat cu un singur perete ( cu un singur perete) ( P-SWNT ) este o substanță formată din fullereni polimerizați în care atomii de carbon ai diferitelor buckytuburi sunt legați împreună. Unele dintre moleculele fullerene sunt destul de stabile la temperatura și mediul de presiune , chiar dacă sunt favorizate energetic în comparație cu alotropii de carbon precum grafitul și diamantul [1] . Definiția stabilității nu poate fi atribuită întregii categorii: moleculele mai stabile, precum C 60 , sunt însoțite de o multitudine de altele, adesea considerate ca „poluanți” în producție, cu o structură mai labilă sau complet instabilă. Este mai corect să se definească stabilitatea fiecărui fulleren.
Previziuni și constatări
Până la sfârșitul secolului al XX-lea , grafitul și diamantul erau singurele alotrope cunoscute ale carbonului . Mai târziu, în timpul experimentelor cu fascicul molecular, s-au observat molecule care conțineau 60, 70 sau mai mulți atomi de carbon. Harold Kroto de la Universitatea din Sussex , James Heath , Sean O'Brien, Robert Curl și Richard Smalley de la Universitatea Rice au descoperit C 60 și alți fulereni în 1985 . Kroto, Curl și Smalley au primit Premiul Nobel pentru chimie în 1996 pentru rolul lor în descoperirea acestei categorii de substanțe. C 60 și alți fulereni au fost observați ulterior în afara laboratorului, de exemplu în funinginea lumânării. În 1991, Donald Huffman și Wolfgang Krätschmer au dezvoltat tehnici speciale care au facilitat producerea de pulbere de fuleren . Cu toate acestea, prețul fulerenelor a rămas ridicat din cauza dificultăților întâmpinate în timpul purificării lor.
Din 1999, fizicianul austriac Anton Zeilinger a început o serie de experimente cu moleculele fullerene C 60 și C 70 , demonstrând în cele din urmă că interferența cuantică „a la Young” este posibilă cu aceste molecule. În aprilie 2003 , fulerenii au fost studiați pentru utilizarea lor potențială medicamentoasă, fiind capabili să lege antibiotice specifice de structura lor pentru a viza rezistența bacteriană sau chiar pentru a viza celulele canceroase, cum ar fi melanomul. În 2010 , datorită telescopului spațial Spitzer al NASA, fulerenele au fost identificate în spațiu pentru prima dată. Prezența lor în spațiul cosmic a fost speculată încă din anii 1970, dar cercetările anterioare nu au reușit să le identifice. Oamenii de știință de la Universitatea din Western Ontario i-au identificat într-o nebuloasă planetară numită Tc 1, la 6.500 de ani lumină de Pământ. [2]
Proprietate
Din 2000 , proprietățile chimico-fizice ale fulerenilor au fost cercetate, atât în laboratoarele de cercetare pure, cât și în laboratoarele de cercetare aplicată. Având în vedere stabilitatea legăturilor de tip grafit , fullerena nu este foarte reactivă și este, de asemenea, rezonabil insolubilă în majoritatea solvenților . Cercetătorii au reușit să crească reactivitatea prin atașarea grupurilor active la suprafața fulerenelor. Fulleritul nu prezintă fenomenul „superaromatizării”: adică electronii din inelele hexagonale nu se delocalizează în întreaga moleculă. Alți atomi pot fi blocați în fulereni, iar dovezile recente au datat efectele unui meteor la sfârșitul perioadei permiene (epoca paleozoică târzie). Acest lucru a fost posibil prin analiza gazelor nobile conservate în structura fullerenelor.
Din punct de vedere chimic, fulerenele sunt specii foarte electronegative și caracterizate printr-un grad ridicat de nesaturare (toți atomii de carbon care le compun sunt nesaturați). Dintre compușii anorganici, deosebit de interesanți sunt cei obținuți prin inserarea în interiorul cavității fulerenei (al căror diametru este egal cu aproximativ 0,7 nm) ioni ai metalelor alcaline, metalelor alcalino-pământoase și lantanidelor. Acești compuși pot fi considerați săruri ale fulerenilor și, prin urmare, sunt denumiți „fulleride”. După adăugarea acestor ioni, proprietățile de conductivitate electronică și electrică ale C60, care în stare pură este un izolator , se schimbă drastic: materialul este de fapt conductiv și chiar devine supraconductor sub o anumită temperatură, care depinde de tipul de metal adăugat și stoichiometria acestuia.
În nanotehnologie, rezistența termică și supraconductivitatea fulerenelor sunt unele dintre cele mai studiate proprietăți. Datorită formei aproape sferice a moleculei, Fullerene-C60 este utilizat ca aditiv anti-frecare în uleiurile de motor de către Bardahl , un cunoscut producător american de lubrifianți. [3]
Producția de fulereni
O metodă utilizată în mod tradițional pentru a produce fulerenele este crearea unui arc electric la aproximativ 5 300 K cu un curent ridicat și o tensiune scăzută, folosind electrozi de grafit într-o atmosferă inertă ( argon ) la presiune scăzută. Din arc, carbonul se răcește într-un reziduu de funingine din care fullerenele pot fi izolate într-un procent scăzut. Acest sistem este foarte scump, având în vedere energia mare care trebuie utilizată și randamentul foarte scăzut al fullerenelor stabile în comparație cu fragmentele și carbonul amorf și având în vedere cantitatea mare de solvenți organici necesari pentru a izola fulerenele. Mai mult, este necesar ca grafitul să aibă o puritate ridicată și o conductivitate electrică ridicată, prin urmare foarte scump. În cele din urmă, dispozitivele de producție nu sunt „scalabile”, adică prin mărirea dimensiunii electrozilor, randamentul proporțional scade.
Recent, a fost dezvoltat un sistem foarte promițător și mult mai ieftin, care folosește presiuni și atmosfere similare, iar lumina soarelui concentrată ușor sub temperaturile arcului (aproximativ 3 700 K) pe buteliile comune de grafit este utilizată ca sursă de energie. În acest caz, planta sa dovedit a fi mai scalabilă, iar randamentul în fullereni cunoscuți, în special C60, a fost mai mare; în plus, se utilizează mai puțini solvenți și există un consum redus de energie, deoarece este necesară doar o cantitate mică de electricitate pentru sistemele de control. Mai mult, în acest caz, grafitul nu trebuie să fie conductiv sau de o calitate deosebită și, prin urmare, este mult mai puțin costisitor. Singura cerință importantă este utilizarea unor sisteme excelente de colimare a luminii, care există deja.
Toxicitatea fulerenilor
Articole principale: Pericolele pentru sănătate și siguranță ale nanomaterialelor și Toxicologia nanomaterialelor de carbon
Lalwani și colab. a publicat o revizuire cuprinzătoare asupra toxicității fullerenelor în 2013. Acești autori au analizat lucrările privind toxicitatea fullerenelor de la începutul anilor 1990 până în prezent și au concluzionat că foarte puține dovezi din descoperirea fullerenelor indică faptul că C60 este toxic. Toxicitatea acestor nanoparticule de carbon nu depinde doar de doză și timp, dar depinde și de o serie de alți factori, cum ar fi:
- tipuri (de exemplu: C60, C70, M @ C60, M @ C82)
- grupuri funcționale utilizate pentru a solubiliza aceste nanoparticule în apă (de exemplu: OH, COOH)
- modul de administrare (de exemplu: intravenos, intraperitoneal)
Prin urmare, autorii recomandă evaluarea farmacologică a fiecărui nou complex fulleren sau metalofulleren în mod individual ca un compus diferit.
Fullereni în matematică
Structurile moleculare ale fullerenelor corespund poliedrelor convexe trivalente cu fețe hexagonale și pentagonale. Cel mai mic fuleren este C 20 , dodecaedrul. Nu există fulereni cu 22 de vârfuri. Numărul C 2 n fullerene se dezvoltă rapid odată cu creșterea n = 12, 13, .. De exemplu , există 1 812 non izomorfă C 60 fullerene, dar numai unul dintre ele, buckminsterfullerene , nu are nici o cuplare pentagon. Adiacente.
Fullerenii în artă
Fizicianul devenit artist Julian Voss-Andreae a creat mai multe sculpturi care simbolizează dualitatea undă-particulă din buckminsterfullerenele . [4] Voss-Andreae a participat la cercetare, care a demonstrat că chiar și obiecte mari, cum ar fi buckminsterfullerenele, respectă legile specifice fizicii cuantice. [5] Voss-Andreae a schimbat ulterior cariera pentru a deveni un artist cu normă întreagă. De atunci a creat obiecte precum o structură de bronz cu diametrul de 60 cm, numită „Quantic Buckyball” (2004) care constă din patru buckyballs unul în interiorul celuilalt. Cea mai mare sculptură a sa inspirată de fulerene se află în Parcul de Stat Tryon Creek din Oregon (SUA). "Quantum Reality (Large Buckyball Around Trees)" (2006) este o structură din oțel cu diametrul de nouă metri, care cuprinde doi arțari.
Fullerenele sunt, de asemenea, un element recurent în science fiction . De exemplu, în nuvela lui Stel Pavlou , The Code of Atlantis (2001), buckyballs, nanotehnologia și teoria complexității sunt folosite pentru a crea nano-roiuri care se reunesc pentru a forma golemuri de dimensiuni umane. C 60 este elementul de construcție de bază al orașului pierdut Atlantida . În serialul de televiziune Andromeda , fulerenele sunt un material obișnuit folosit pentru a construi obiecte foarte puternice, cum ar fi corpurile navei și armura corporală. În plus, în loc de grinzile tractorului , navele spațiale folosesc buckycaves pentru a captura și a trage alte nave spre ele.
Notă
- ^ (EN) AS Barnard, SP Russian și IK Snook, stabilitate de fază dependentă de dimensiune a nanoparticulelor de carbon: nanodiamond versus fullereni [ link rupt ] , în J. Chem. Fizic. , vol. 118, 2003, pp. 5094-5098, DOI : 10.1063 / 1.1545450 .
- ^ Științele , septembrie 2010.
- ^ Articol pe site-ul oficial al Bardahl în italiană Arhivat 6 mai 2015 la Internet Archive .
- ^ Edwin Cartlidge, Once a physicist: Julian Voss-Andreae , în Physics World , noiembrie 1999, p. 44.
- ^ Markus Arndt, O. Nairz, J. Voss-Andreae , C. Keller, G. van der Zouw, A. Zeilinger , Dualitatea undă-particulă a C 60 ( PDF ), în Nature , vol. 401, n. 6754, 14 octombrie 1999, pp. 680-682, DOI : 10.1038 / 44348 , PMID 18494170 .
Elemente conexe
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe fullerene
linkuri externe
- Fullereni , pe Sapienza.it , De Agostini .
- ( EN ) Fullereni , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
- Funcționalizarea fulerenelor , pe Chimica.unipd.it . Adus la 14 februarie 2007 (arhivat din original la 7 noiembrie 2007) .
- ( RO ) IUPAC Gold Book, „fullerenes” , pe goldbook.iupac.org .
| Controlul autorității | Tesauro BNCF 47994 · LCCN (EN) sh91005662 · GND (DE) 4305238-1 · BNF (FR) cb12263117r (data) · NDL (EN, JA) 00.577.314 |
|---|
