Fullereen (C60) — definitsioon, omadused ja tüübid

Fullereen on mis tahes molekul, mis koosneb täielikult süsinikust ja on õõnes kera, ellipsoidi või toru kujul. Sfäärilisi fullereene nimetatakse ka tüvepallideks (ingl. buckyballs) — need meenutavad jalgpalle — ning silindrilisi nimetatakse süsiniku nanotorudeks või buckytube'ideks. Fullereene avastati 1985. aastal Robert Curli, Harold Kroto ja Richard Smalley poolt Sussexi ülikoolis ja Rice'i ülikoolis; nimi "fullereen" tuleb arhitekti Buckminster Fulleri järgi, kelle kuulsad geodeetilised kupplid meenutavad fullereeni kuju. Fullereenid kujutavad endast süsiniku uut allotroopi, millel on unikaalsed mehaanilised, elektronilised ja optilised omadused.

Paljud täpsemad sünteesi- ja tootmismeetodid põhinevad grafiidi aurustamisel või kuumutamisel. Näiteks valmistatakse fullereene sageli grafiidi kuumutamisel elektrikaarel inertsete gaaside, näiteks heeliumi või argooni juuresolekul. Lisaks kasutatakse laser-aurustamist, kemikaalide keemilist sünteesi ja keemiliselt lahendatud meetodeid; süsiniku nanotorude puhul kasutatakse sageli keemilise aurundamise (CVD) meetodeid.

C60 pöörlev struktuur

Jalgpall on C60 fullereeni mudeliks

C60 fullereeni võrgustik

Struktuur ja tüübid

Fullereenide hulka kuuluvad mitmed eri kujuga ja suurusega molekulid:

Sfäärilised fullereenid — kõige tuntum näide on C60 (buckminsterfullerene), millel on 60 süsiniku aatomit kujundades 12 viie- ja 20 kuue-külgset plaati; C70, C76, C84 jt suuremad ahelad on samuti levinud.
Süsiniku nanotorud (CNT) — silindrilised, rullitud grafiidi lehed, mis võivad olla ühe- (SWNT) või mitmekihilised (MWNT).
Endohedraalsed fullereenid — täheldatud on aatomi või väikese klastrite lõksustumist fullerene-kesta sisse (nt metallid@C60).
Heterofullereenid ja funktsioneeritud fullereenid — kus mõni süsinik asendub muu elemendiga või mille külge on keemiliselt liidetud organilised rühmad, et muuta lahustuvust, reaktiivsust või biokompatiblust.

Füüsikalised ja keemilised omadused

Hübriidkirjeldus: Fullereenide süsinikud on peamiselt sp2-sillatustega, sarnased grafeenile, kuid kumerus annab neile unikaalse orbitaalse ja elektronkäitumise.
Suurus ja kuju: C60 molekul on ligikaudu 0,7–0,8 nm diameetriga ja omab kõrget sümmeetriat (Ih). Suuremate fullereenide kuju varieerub.
Elektrilised omadused: isekas C60 on pooljuht või elektronaktiivne molekul; küllastunud dopinguga (nt K3C60) võib muutuda metalliliseks ja isegi näidata kõrgtemperatuurilist (relatiivset) superjuhtivust.
Optilised omadused: täheldatakse iseloomulikku UV/vis neeldumist, fotoluminestsentsi ja fotosünteetilisi reaktsioone; fullereenid toimivad hästi elektronide vastuvõtjatena orgaanilistes päikeseelementides.
Lahustuvus: fullereenid lahustuvad vähesel määral orgaanilistes lahustites nagu tolueen ja kloroform, kuid praktiliselt ei lahustu vees ilma funktsionaliseerimiseta.
Keemiline reaktiivsus: fullereenid osalevad lisandreaktsioonides (nt Diels–Alder, 1,3-dipolaarsed tsükladditsioonid), redutseeruvad ja oksüdeeruvad kergesti, võimaldades derivaatide valmistamist.

Süntees ja isoleerimine

Standardne laborimeetod on grafiidi aurustamine elektrikaarel inertse gaasi juuresolekul, mis tekitab segatud fraktiooni C60–C90-le sarnaseid fullereene. Seejärel eraldatakse ja puhastatakse fullereene nii tahke faasi kui lahuse HPLC, kromatograafia või teiste keemiliste meetodite abil. Nanotorude valmistamisel kasutatakse sageli keemilist aurundamist (CVD) ja katalüsaatoreid.

Rakendused

Päikeseelemendid ja orgaaniline elektroonika — fullerene-derivaadid (nt PCBM) toimivad efektiivsete elektronide aktseptoriteks orgaanilistes päikesepatareides ja dioodides.
Materjaliteadus ja nanotehnoloogia — lisatakse komposiitmaterjalidesse tugevuse ja elektribeduse parandamiseks ning kasutatakse nanomõõtmeliste sondide ja seadmete valmistamiseks.
Meditsiin ja farmaatsia uuringud — uuritud meditsiinilise kandjana, antioksüdandina ja isegi fotosensitisaatorina vähiravis; endohedraalsete metallidega on uuritud MRI kontrastainete ning radioaktiivsete ravimite kandjatena.
Katalüüs ja energiaressursid — võimalused gaasi (nt vesinik) säilitamiseks, katalüütiliste reaktsioonide modifitseerimiseks ja andmesalvestuseks.

Keemiline modifitseerimine ja derivaadid

Fullereeni keemiline funktsionaliseerimine parandab lahustuvust, stabiilsust ja bioloogilist sobivust. Lisanduvad organilised rühmad, metallikompleksid või polümeeriga ühendamine võimaldavad luua spetsiifilisi materjale elektri-, opto- ja biotehnoloogiliste rakenduste jaoks.

Tervis, ohutus ja keskkond

Fullereenid ei ole vees lahustuvad ja nende toksilisus sõltub paljudest teguritest: osakeste suurus, pindfunktsioonid ja lahus. Mõned uuringud näitavad oksüdatiivset stressi ja rakumõjusid kõrgetes kontsentratsioonides; teised näitavad madalat toksilisust, eriti kui fullereenid on funktsionaliseeritud. Kuna terminsed ja tolmuga seotud riskid võivad esineda tootmisel, tuleb tööd fullereenidega teha laboritingimustes sobiva ventilatsiooni, isikliku kaitse ja jäätmekäitluse nõuetega.

Kokkuvõte

Fullereenid, eriti C60, on süsiniku eristatav allotroop, mis avas uue valdkonna nanoteaduses. Neil on huvitavad füüsikalised, keemilised ja optilised omadused ning lai potentsiaalne rakenduste spekter alates orgaanilisest elektroonikast kuni meditsiiniliste ja katalüütiliste lahendusteni. Samas jääb paljuks uurimiseks nende pikaajaline mõju keskkonnale ja tervisele ning tootmistehnoloogiate optimeerimine.

Küsimused ja vastused

K: Mis on fullereen?

V: Fullereen on mis tahes molekul, mis koosneb täielikult süsinikust ja on õõnsa kera, ellipsoidi või toru kujul.

K: Kes avastas fullereeni?

V: Fullereeni avastasid 1985. aastal Robert Curl, Harold Kroto ja Richard Smalley Sussexi ülikoolis ja Rice'i ülikoolis.

K: Miks on see nime saanud Buckminster Fulleri järgi?

V: See on nime saanud Buckminster Fulleri järgi, sest tema kuulsad geodeetilised kupplid on oma kujult sarnased sfääriliste fullereenidega, mida nimetatakse ka Buckyballideks.

K: Kuidas tehakse fullereene?

V: Fullereene valmistatakse tavaliselt grafiidi kuumutamisel elektrikaares inertgaaside, näiteks heeliumi või argooni juuresolekul.

K: Mida tähendab C60?

V: C60 viitab teatud tüüpi fullereeni pöörlevale struktuurile, mis meenutab jalgpalli.

K: Millele viitab C60 võrgustik?

V: C60 võrgustik viitab selle keemilisele struktuurile, mis koosneb 60 süsiniku aatomist, mis on omavahel seotud sidemetega, mis moodustavad kuusnurksed ja viiekandikud nagu jalgpallidel.