Τι είναι τα Buckyballs ή τα Fullerenes;

Οι μπάλες ή φουλερένια είναι μια κατηγορία αλλοτρόπων του στοιχείου άνθρακα και είναι διαβόητα για τον προσδιορισμό της δομής τους. Συνήθως συνθέτουν τη μαύρη, λεία αιθάλη που βρίσκεται συνήθως σε φούρνους και τζάκια.

Αν και αυτό μπορεί να φαίνεται σαν ένα άρθρο για τον Bucky Barnes της Marvel, δεν είναι. Πρόκειται για κάτι ακόμα πιο ενδιαφέρον… από τον κόσμο της χημείας! Buckyballs, fullerenes ή Buckminsterfullerenes είναι τα διάφορα ονόματα που δίνονται σε μια ομάδα μορφών στοιχειακού άνθρακα που ανακαλύφθηκαν αρκετά πρόσφατα.

Τι είναι τα buckyballs ή τα φουλερένια;

Αυτό μπορεί να είναι δύσκολο να το πιστέψουμε, αλλά τα φουλερένια είναι μόρια που αποτελούνται από άτομα άνθρακα σε μεγάλους αριθμούς. Συνήθως, αποτελούνται από 60 άτομα άνθρακα που σχηματίζουν ένα μόριο του «buckyball». Μερικές φορές, ωστόσο, η δομή τους μπορεί επίσης να είναι 70, 76, 84, 90, 94 ή ακόμα περισσότερα άτομα άνθρακα.

Έχουν σφαιρικό σχήμα, τόσο πολύ που μαζί με τη συμμετρία και το σχήμα τους που μοιάζει με σφαίρα, θυμίζουν πολύ μπάλα ποδοσφαίρου. Αυτή η δομή ονομάζεται περικομμένο εικοσάεδρο, με τεχνικούς όρους. Είναι ένα πολύγωνο με 60 κορυφές και 32 όψεις. 12 από αυτές τις όψεις είναι πενταγωνικές, ενώ οι 20 είναι εξαγωνικές.

Αυτό το σφαιρικό σχήμα και οι διασυνδέσεις μεταξύ των ατόμων άνθρακα δημιουργούν μια τεράστια δομή που μοιάζει με κλουβί σε αυτό το αλλότροπο άνθρακα. Αυτή η δομή ήταν αρχικά δύσκολο να προσδιοριστεί. Ποιος θα φανταζόταν ποτέ ότι ένα μόριο 60 άνθρακα θα έμοιαζε με κάτι τόσο απλό όσο ένα ποδόσφαιρο;

Μπορεί να μαντέψετε ότι το όνομα "Buckminsterfullerene" έχει δοθεί ως φόρος τιμής στον επιστήμονα που το ανακάλυψε, αλλά αυτό είναι απολύτως όχι η υπόθεση.

Η δομή του φουλερενίου μοιάζει με γεωδαιτικό θόλο, όπως φαίνεται παραπάνω. (Φωτογραφία:Philipp Hienstorfer/Wikimedia commons)

Ο Buckminster Fuller είναι το όνομα ενός αρχιτέκτονα γνωστού για τους γεωδαιτικούς θόλους του. Αυτοί οι θόλοι ήταν που έδωσαν μια ιδέα στους επιστήμονες για τη δομή των φουλερενίων. Ως φόρο τιμής στην έμπνευσή του, αυτή η ομάδα ενώσεων πήρε το όνομά του.

Ανακάλυψη φουλερενίων

Τα φουλερένια ανακαλύφθηκαν τυχαία, όπως τόσες πολλές μεγάλες συνειδητοποιήσεις στον κόσμο της επιστήμης. Μια ομάδα επιστημόνων ερευνούσε ορισμένα σωματίδια που βρέθηκαν στο διάστημα όταν συνάντησαν αυτήν την ειδική ομάδα μορίων.

Τα φουλερένια ανακαλύφθηκαν το 1985 από τον Βρετανό χημικό Harold W. Kroto του Πανεπιστημίου του Sussex, μαζί με τους χημικούς του Πανεπιστημίου Rice Robert F. Curl και Richard E. Smalley. Η ομάδα των ερευνητών χρησιμοποίησε την πειραματική διάταξη του Smalley - που χρησιμοποιείται για πράγματα τόσο μικρά όσο ένας κόκκος ρυζιού - και ξεκίνησε τα πειράματά της. Το χρειάζονταν αυτό, αφού οι επιστήμονες είχαν να κάνουν με άτομα και μόρια ακόμη μικρότερα από έναν κόκκο ρυζιού.

Ο γραφίτης εξατμίστηκε για να ανακαλύψει το buckminsterfullerene. (Φωτογραφία:Rvkamalov gmail.com/Shutterstock)

Τα άτομα άνθρακα εξατμίστηκαν από γραφίτη (άλλο αλλότροπο άνθρακα) και χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της φασματοσκοπίας μάζας για περαιτέρω επιθεώρηση. Μέσω αυτού, συνήχθη το συμπέρασμα ότι τα εξατμισμένα άτομα άνθρακα ενώθηκαν για να σχηματίσουν ένα μόριο 60 άνθρακα.

Υπήρχαν άλλα σμήνη διαφορετικού αριθμού ατόμων άνθρακα, αλλά αποκόπηκαν, κάνοντας τα σήματα φασματοσκοπίας μάζας να εξαφανιστούν για αυτά μετά από κάποιο χρονικό διάστημα.

Έτσι προέκυψε η ιδέα ενός υπάρχοντος αλλότροπου με 60 άτομα άνθρακα!

Χημικές ιδιότητες των φουλερενίων

Η αναγνώριση της δομής του φουλερενίου ως μπάλας ποδοσφαίρου ήταν ένα τεράστιο έργο, επειδή αυτό το αλλοτρόπο άνθρακα ήταν γελοία ανενεργό! Έκανε τους επιστήμονες και τους ερευνητές να ξύνουν τα κεφάλια τους για το τι θα μπορούσε να κάνει αυτό το τεράστιο μόριο τόσο εξαιρετικά αδρανές.

Όπως αποδεικνύεται, τα φουλλερένια τείνουν να είναι αδρανή λόγω της κλειστής δομής τους που μοιάζει με κλουβί. Από χημική άποψη, αυτές οι ομάδες μορίων είναι έτσι επειδή δεν έχουν «κρεμασμένους δεσμούς» ή χαλαρούς δεσμούς. Ένας χαλαρός δεσμός είναι απλώς ένας ελεύθερος δεσμός που κάνει ένα μόριο να αντιδρά με άλλα είδη.

Παραπάνω είναι μια απεικόνιση της δομής του φουλερενίου. Οι μαύρες σφαίρες αντιπροσωπεύουν άτομα άνθρακα. (Φωτογραφία :Angel Soler Gollonet/Shutterstock)

Κάθε άνθρακας συνδέεται με τους άλλους με δύο απλούς δεσμούς και έναν διπλό δεσμό. Ο αριθμός των δεσμών που μπορεί να σχηματίσει ένα άτομο άνθρακα είναι τέσσερις. Τα buckyballs είναι διαλυτά σε οργανικούς διαλύτες όπως το βενζόλιο, οπότε η ανακίνηση της αιθάλης (που αποτελείται από φουλερένια) με τολουόλιο οδηγεί σε ένα κόκκινο διάλυμα!

Τα Buckminsterfullerenes συμπεριφέρονται ως είδη με έλλειψη ηλεκτρονίων και επομένως προτιμούν να αντιδρούν με είδη που είναι πλούσια σε ηλεκτρόνια, για παράδειγμα, τα αλογόνα ή την ομάδα υδροξυλίου (ομάδα -ΟΗ). Όταν αντιδρούν με -ΟΗ, μετατρέπονται σε «fullerenols».

Τα φουλερένια τείνουν να σχηματίζουν δύο τύπους ενώσεων - εξωεδρικά και ενδοεδρικά. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει αντιδρώντα είδη που υπάρχουν εξωτερικά το κλουβί, ενώ το τελευταίο αντιπροσωπεύει το μέσα την κατάσταση του κλουβιού.

Τα εξωεδρικά είδη συντίθενται λόγω μιας χημικής αντίδρασης, κυρίως μιας αντίδρασης προσθήκης ή οξειδοαναγωγής, μεταξύ των φουλλερενίων και άλλων αντιδρώντων ομάδων, όπως η ομάδα –ΟΗ που αναφέρθηκε παραπάνω.

Τα ενδοεδρικά είδη, από την άλλη πλευρά, συντίθενται όταν τα σύμπλοκα μετάλλων μετάπτωσης ή μέταλλα όπως το λανθάνιο ή το ιρίδιο παγιδεύονται μέσα στο κλουβί.

Ενδοεδρικό φουλερένιο. Η μπλε σφαίρα αντιπροσωπεύει ένα ξένο άτομο παγιδευμένο μέσα στο κλουβί. (Φωτογραφία :Angel Soler Gollonet/Shutterstock)

Παρόλο που τα ίδια τα φουλερένια είναι ως επί το πλείστον μη αντιδραστικά, έχουν κατασκευαστεί για να αντιδρούν, αντί να συντίθενται με αυτόν τον τρόπο.

Εφαρμογές φουλερενίων

Λόγω της πρόσφατης ανακάλυψής τους και της σχετικής αδράνειας τους, δεν έχουν υπάρξει πολλές σαφείς εγκαταστάσεις για τις εφαρμογές των φουλερενίων. Ωστόσο, υπάρχουν προβλεπόμενες εφαρμογές που δοκιμάζονται αυτή τη στιγμή.

Τα buckyballs είναι από τη φύση τους μονωτές, αλλά έχει επίσης παρατηρηθεί ότι διαθέτουν αγώγιμες και υπεραγώγιμες ιδιότητες υπό ορισμένες συνθήκες. Αυτές οι ιδιότητες, ειδικά η υπεραγώγιμη ιδιότητα, θα οδηγούσαν σε τεράστια χρήση στο μέλλον, ειδικά σε τρανζίστορ και μικροτσίπ!

Η δομή των buckyballs μοιάζει πολύ με μπάλα ποδοσφαίρου.

Υπάρχουν επίσης ορισμένες θεραπευτικές χρήσεις όπου θα μπορούσαν να εφαρμοστούν τα φουλερένια. Τα φουλερένια με άτομα μετάλλου εγκλωβισμένα μέσα τους χρησιμοποιούνται σε μαγνητική τομογραφία και ακτίνες Χ ως παράγοντες αντίθεσης. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτά τα μεταλλοφουλλερένια είναι αβλαβή για τον ανθρώπινο οργανισμό. Παραμένουν στο σώμα για περίπου μία ώρα, βοηθώντας έτσι στην απεικόνιση του εσωτερικού του σώματος.

Εκτός από τα διαγνωστικά εργαστήρια, τα φουλερένια έχουν επίσης βρεθεί ότι διαθέτουν αντι-HIV ιδιότητες. Εάν αξιοποιηθεί σωστά, αυτό θα μπορούσε να είναι μια από τις μεγαλύτερες νέες εξελίξεις στη σύγχρονη ιατρική επιστήμη.

Τα παράγωγα φουλερενίου εντοπίζονται με πλεονεκτικό τρόπο, καθιστώντας τα έτσι κατάλληλα για τη θεραπεία της οστεοπόρωσης. Μερικά από τα παράγωγα των φουλερενίων έχουν επίσης αποδειχθεί ότι έχουν αντιμικροβιακές ιδιότητες.

Συμπέρασμα

Παρόλο που τα φουλλερένια ανακαλύφθηκαν πρόσφατα και η δομή τους μας έχει προκαλέσει δέος, υπάρχουν ακόμα πολλές εφαρμογές που πρέπει να πειραματιστούν και να ερευνηθούν περαιτέρω. Πώς αλλιώς αυτά τα αλλότροπα με χαριτωμένους τίτλους θα γίνουν πρακτικά αποτελεσματικά για την ανθρωπότητα!