Φουλερένια

Το φουλερένιο είναι ένα αλλοτρόπο του άνθρακα. Το μόριο του φουλερενίου αποτελείται από άτομα άνθρακα, συνδεδεμένα με τρόπο που σχηματίζει μια κοίλη δομή που μοιάζει με κλουβί. Είναι ένα μόριο που περιέχει μόνο τα άτομα άνθρακα. Το Fullerene C20 περιέχει 20 άτομα άνθρακα. Το Fullerene C60 είναι γνωστό ως buckminsterfullerene. Τα ακόλουθα θέματα, η διαδικασία σύνθεσης, οι ιδιότητες, οι διαφορετικοί τύποι και οι εφαρμογές τους, δίνουν μια επισκόπηση των φουλερενίων.

Fullerene ως Ligands

Οι συνδέτες ενεργούν ως δότης ζευγών ηλεκτρονίων και ένα κεντρικό άτομο ενεργεί ως δέκτης αυτών των ζευγών ηλεκτρονίων. Τα φουλερένια χρησιμοποιήθηκαν αρχικά ως συνδέτες. Στο σύστημα [(Ph3)P]2Pt(n2-C60)], το Fullerene C60 δρα ως θρύλος στην πλατίνα. Για αυτήν την εξίσωση, η πλατίνα είναι το κεντρικό άτομο. Οι συνδέτες φουλερενίου μοιάζουν πολύ με αλκένια με έλλειψη ηλεκτρονίων με ανεπάρκεια ηλεκτρονίων. Αυτό το δέσιμο συμβαίνει στα σημεία σύνδεσης δύο 6-μελών δακτυλίων.

Σύνθεση Φουλερενίου

Η μέθοδος εκκένωσης τόξου χρησιμοποιείται για τη σύνθεση φουλερενίων. Υψηλό ρεύμα εφαρμόζεται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων γραφίτη σε ατμόσφαιρα ηλίου ή αργού. Σε αυτή τη μέθοδο, το αρνητικό ηλεκτρόδιο άνθρακα εξατμίζεται. Η αιθάλη παράγεται και συλλέγεται σε υδρόψυκτες επιφάνειες. Για τη συλλογή αιθάλης, το κενό σπάει και η αιθάλη συλλέγεται σε τολουόλιο ή βενζόλιο. Η αιθάλη που λαμβάνεται είναι ένα μείγμα φουλερενίων.

Φυσικές ιδιότητες του φουλερενίου

• Διαλυτότητα στο νερό

Τα φουλερένια δεν είναι διαλυτά στο νερό και σε πολλούς διαλύτες.

• Αγωγιμότητα

Τα φουλερένια δεν μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό. Είναι μονωτές στην καθαρή τους μορφή. Λειτουργούν ως υπεραγωγοί ή ημιαγωγοί μόνο όταν είναι εμποτισμένοι με αλκαλικά μέταλλα.

• Μεταβλητότητα

Τα φουλερένια δεν εξατμίζονται σε κανονικές θερμοκρασίες. Είναι πτητικές στη φύση τους.

• Απαλό και ολισθηρό

Οι διαμοριακές δυνάμεις του φουλερενίου είναι αδύναμες. Λίγη ενέργεια χρειάζεται για να ξεπεραστούν αυτές οι δυνάμεις. Είναι μαλακά και γλιστερά και έχουν χαμηλό σημείο τήξης.

Χημικές ιδιότητες του φουλερενίου

• Διαλυτότητα σε οργανικούς διαλύτες

Τα φουλερένια δεν είναι διαλυτά στο νερό αλλά μπορούν εύκολα να διαλυθούν σε οργανικούς διαλύτες. Διαλύτες όπως το χλωροβενζόλιο, το 1,2,3-τριχλωροπροπάνιο και το τολουόλιο μπορούν να διαλύσουν τα φουλερένια.

• Υπεραγωγιμότητα

Όταν τα φουλερένια αναμιγνύονται με αλκαλικά μέταλλα, αγώγουν ηλεκτρισμό και δείχνουν τις ιδιότητες ενός υπεραγωγού.

• Καταλύτης

Όταν το υδρόθειο, H2S, οξειδώνεται για να σχηματίσει θείο (S), το φουλερένιο C60 δρα ως καταλύτης και επιταχύνει τη διαδικασία.

• Αρωματικότητα

Τα φουλερένια μπορεί να εμφανίζουν αρωματικές ιδιότητες μόνο όταν ο αριθμός των ατόμων σε ένα μόριο ισούται με 2(N+1)2, όταν το N είναι ακέραιος.

• Συγγένεια ηλεκτρονίων

Τα φουλερένια δέχονται εύκολα ηλεκτρόνια και μπορούν να αντιδράσουν με τις ελεύθερες ρίζες. Μπορούν να πάρουν περισσότερα από τρία ηλεκτρόνια και είναι ένας εξαιρετικός οξειδωτικός παράγοντας.

• Σιδηρομαγνητικό

Τα φουλερένια δείχνουν την ιδιότητα του σιδηρομαγνητισμού.

Τύποι φουλερενίων

Υπάρχουν διάφοροι τύποι φουλερενίων με βάση την ποικιλία στις δομές. Μερικά από αυτά είναι:

• Συστάδες Buckyball

Είναι ένας από τους τύπους φουλερενίου που συγκαταλέγεται στα πρώτα νανοσωματίδια που ανακαλύφθηκαν. Το μέγεθός του κυμαίνεται από 20 έως 60 άτομα άνθρακα. Το πιο κοινό μέγεθος του συμπλέγματος buckyball είναι 60.  

• Νανοσωλήνες 

Πρόκειται για κοίλους σωλήνες κατασκευασμένους από άτομα άνθρακα. Η διάμετρος των ατόμων συνήθως μετριέται σε νανόμετρα. Μπορεί να έχει μονούς ή πολλαπλούς τοίχους. Χρησιμοποιείται ευρέως στην ηλεκτρονική βιομηχανία.

• Megatubes

Αυτοί είναι μεγαλύτεροι από τους νανοσωλήνες ως προς τη διάσταση των ατόμων. Αυτά χρησιμοποιούνται γενικά για τη μεταφορά διαφορετικών μορίων με διαφορετικές διαστάσεις.

• Πολυμερή

Αυτά είναι μακρομόρια. Μοιράζονται ομοιοπολικούς χημικούς δεσμούς. Αποτελούνται από αλυσίδες άνθρακα. Τα δισδιάστατα ή τρισδιάστατα πολυμερή σχηματίζονται κατά την έκθεση σε υψηλή θερμοκρασία ή υψηλή πίεση.

• Νανοκρεμμύδια

Τα νανο-κρεμμύδια είναι σφαιρικά σωματίδια που αποτελούνται από πολλαπλά στρώματα άνθρακα, που περιβάλλουν τον πυρήνα του buckyball. Είναι ένα είδος κρεμμυδιού που μοιάζει με κλουβί.

• Συνδεδεμένα διμερή "μπάλα και αλυσίδα"

Όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι ένας τύπος φουλερενίου στο οποίο μια αλυσίδα άνθρακα συνδέει δύο buckyballs.

• Δακτύλιοι φουλερέν

Αυτά είναι τα δαχτυλίδια των buckyballs που συνδέονται μεταξύ τους.

Εφαρμογές φουλερενίων

• Τα φουλερένια έχουν εξαιρετικές εφαρμογές στον ιατρικό τομέα. Χρησιμοποιούνται ως αντιοξειδωτικό, αντιμικροβιακό παράγοντα και φωτοσυνθέτες στη φωτοδυναμική θεραπεία. Καθώς τα φουλερένια είναι δομές που μοιάζουν με κλουβί, χρησιμοποιούνται για τη χορήγηση φαρμάκων.

• Τα φουλερένια χρησιμοποιούνται ως καταλύτης για τον καθαρισμό του νερού.

• Λόγω της σφαιρικής δομής των φουλερενίων, χρησιμοποιούνται ως λιπαντικό. Λειτουργούν ως μοριακά ρουλεμάν.

• Τα φουλερένια χρησιμοποιούνται ως υπεραγωγοί όταν αναμιγνύονται με αλκαλικά μέταλλα.

• Χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά, μικροηλεκτρονικά πεδία και μη γραμμικές οπτικές συσκευές.

Συμπέρασμα

Τα φουλερένια έχουν αναδειχθεί ως σημαντικό μόριο στον τομέα της επιστήμης και της τεχνολογίας. Έχει συντεθεί ένα παράγωγο φουλερενίων που μπορεί να διαλυθεί στο νερό. Μπορεί να αναστείλει τις δραστηριότητες του HIV. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην ιατρική για τη θεραπεία του AIDS. Η αντοχή σε εφελκυσμό σε κάθε νανοσωλήνα μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμη στη νανοχειρουργική ή τη μικροχειρουργική. Θα επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό την κατασκευή κτιρίων, αεροσκαφών και αυτοκινήτων. Τα φουλερένια αποτελούν σημαντικό θέμα για έρευνα στον τομέα των διαφόρων βιομηχανιών και της νανοτεχνολογίας λόγω των πρακτικών τους ιδιοτήτων.