Фулерен — дефиниция, структура и видове (C60, въглеродни нанотръби)

Фулерен е общо наименование за всяка молекула, съставена изцяло от въглерод, под формата на куха сфера, елипсоид или тръба. Сферичните фулерени често се наричат още "buckyballs" (бъкиболове) и наподобяват фут­болни топки, докато цилиндричните форми са известни като въглеродни нанотръби или бъкитръби. Повечето фулерени са кухи молекули с вътрешни пространства, които позволяват задържане или инкапсулиране на други атоми и молекули (т.нар. ендохедрални фулерени).

Откритие и наименование

Фулерените бяха открити през 1985 г. от Робърт Кърл, Харолд Крото и Ричард Смоли в Университета в Съсекс и Университета Райс. За работата си те получават Нобелова награда по химия (1996). Името "фулерен" е дадено в чест на архитекта и изобретателя Бъкминстър Фулър, тъй като формата на молекулата напомня неговите геодезични куполи имат подобна геометрия.

Структура и електронна конфигурация

Най-известният фулерен е C60 — молекула с 60 въглеродни атома, която има форма на трапецовиден икосаедър (truncated icosahedron) — съставена от 12 петъгълника и 20 шест­ъгълника. Всеки въглерод е sp2-хибридизиран и участва в три σ-връзки, докато π-електроните образуват разширена система, придаваща особен електронен характер. Симетрията на C60 е много висока (Ih). По-големите фулерени (C70, C76, C84 и т.н.) имат различни форми и симетрии, но също са изградени от петъгълни и шестъгълни пръстени.

Видове фулерени

• C60 — най-проучваният и най-стабилният малък фулерен; често се използва като модел за „бъкибол”.
• C70 — по-елипсоидна форма, с по-ниска симетрия в сравнение с C60.
• По-големи фулерени — C76, C84 и над тях — с разнообразни геометрични и електронни свойства.
• Въглеродни нанотръби (CNT) — цилиндрични фулерени, които могат да бъдат едностенни (SWNT) или многослойни (MWNT); притежават висока здравина, добра електропроводимост и уникални механични свойства.
• Ендохедрални фулерени — фулерени, които съдържат инкапсулирани атоми, йони или молекули във вътрешността на кухата структура.

Получаване (синтез) и пречистване

Един от класическите методи за получаване на фулерени е чрез нагряване на графит в електрическа дъга в присъствието на инертни газове, като хелий или аргон. Освен дъговия метод, използват се и други техники:

• лазерна аблация на графитни мишени,
• химическо отлагане от газова фаза (CVD) за получаване на нанотръби,
• горене/комбустия на въглеродосъдържащи горива в контролирани условия.

След синтеза фулерени обикновено се пречистват чрез екстракция със специфични органични разтворители, хроматография и сублимация, за да се отделят отделните видове (например C60 от C70 и др.).

Физични и химични свойства

• Солидните C60 кристали образуват молекулярни решетки; полученият материал може да бъде тъмнокафяв до черен.
• Фулерени са разтворими в неполярни органични разтворители (толуен, бензен), което улеснява изследванията и приложенията им.
• Поради делокализираната π-система, фулерени лесно приемат електрони и често действат като електрон-акцептори; при допиране с алкални метали могат да станат свръхпроводими (при определени условия).
• Химическата реактивност позволява присъединяване на различни функционални групи — така се получават деривати с подобрена разтворимост и целево биологично взаимодействие.

Приложения

Поради уникалните си свойства, фулерените имат широк спектър от потенциални и реални приложения:

• органични фоточувствителни материали и фотоволтаични клетки (в ролята на приемник на електрони);
• медицински приложения — доставяне на лекарства, антиоксидантни свойства и изследване на фулерени като контрастни агенти или носители;
• електроника и наноелектронни устройства, вкл. транзистори и сензори (особено за нанотръбите);
• материали с подобрени механични свойства и смазочни покрития;
• катализ, адсорбция и изследвания в областта на съхранение на водород и други енергийни технологии;
• научни изследвания върху ендохедрални фулерени за улавяне и изучаване на единични атоми/йони в укрито пространство.

Безопасност и екологични аспекти

Токсичността и биосъвместимостта на фулерените зависят силно от чистотата, частица­ните размери и химичните деривати. Някои изследвания показват, че в определени форми фулерените могат да предизвикат оксидативен стрес или други биологични ефекти; други деривати имат ниска токсичност и обещават безопасна употреба в медицината. При работа с прахове и наноматериали се препоръчват стандартни предпазни мерки и контрол на експозицията.

Фулерените остават активна област на научни изследвания, като се търсят нови синтетични методи, функционализации и приложения в енергетиката, медицината и материалознанието.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява фулеренът?

В: Кой откри фулерена?

В: Защо е кръстен на Бъкминстър Фулър?

В: Как се произвеждат фулерените?

В: Какво означава C60?

В: За какво се отнася мрежата на C60?

Търсене по буква