Kas ir fullerēns? Definīcija — C60, buckyballs un nanocaurulītes

Fullerēns ir jebkura molekula, kas pilnībā sastāv no oglekļa un veido dobu lodi, elipsoīdu vai caurulītes tipa struktūru. Sfēriskos fullerēnus parasti sauc par buckyballs (bukibumbas), jo tie vizuāli atgādina futbola bumbu; cilindriskos fullerēnus sauc par oglekļa nanocaurulītēm vai buckytubes. Fullerēnu atklāja 1985. gadā Roberts Kērls, Harolds Kroto un Ričards Smalijs Saseksas Universitātē un Raisa Universitātē, un nosauca par godu Bukminstera Fullera vārdam — viņa ģeodēziskie kupoli ir ģeometriski līdzīgi fullerēnu formas principam. Fullerēnus bieži iegūst, karsējot grafītu elektriskā lokā inertu gāzu, piemēram, hēlija vai argona, klātbūtnē.

Struktūra un galvenie veidi

Vispazīstamākais fullerēns ir C60 — molekula, kas sastāv no 60 oglekļa atomiem, kuri izkārtoti pēc truncētā ikosaedra ģeometrijas: 12 piecstūri un 20 sešstūri. Katrs oglekļa atoms parasti ir sp2 hibridizācijas stāvoklī un savienots ar trim kaimiņiem, veidojot konjugētu oglekļa karkasu. C60 diametrs ir aptuveni 0,7 nm, molekulmasa ~720 g/mol, un tā augsta simetrija piešķir daudz īpašu fizikālu un ķīmisku īpašību.

Bez C60 pastāv arī citi fullerēni, piemēram, C70, C76, C84 u.c., kā arī īpaši varianti:

• Endohedrālie fullerēni: atomu vai molekulu ieslodzīšana fullerēna dobumā (piemēram, metāla atomi – metallofullerenes).
• Funkcionalizētie fullerēni: ķīmiskas grupas piestiprināšana, lai mainītu šķīdību, reaktivitāti vai biokompatibilitāti.
• Oglekļa nanocaurulītes (CNT): cilindriskas, daļēji zobaino pilienu strukturālās formas, kuras var izskatīties kā sarullēts grafēna slānis. Pastāv vienslāņa (SWNT) un daudzslāņa (MWNT) nanocaurulītes.

Īpašības

• Augsta simetrija un stabilitāte — C60 ir ļoti noturīgs savienojums koksveida oglekļa saitēs.
• Elektroniskās īpašības — fullerēni var pieņemt elektronus (ja kā reducētāji) un veidot kompleksus ar metāliem; alkālijmetālu dopešana var radīt supravadītspēju.
• Optiskās īpašības — raksturīgas UV/Vis un Raman spektroskopijas līnijas, ko izmanto identifikācijai.
• Šķīdība — nefunkcionalizēts C60 šķīst organiskos šķīdinātājos (piem., toluols, kloroforms), bet gandrīz nesšķīst ūdenī; funkcionalizācija uzlabo ūdens šķīdību.
• Mērogs — molekulārais izmērs padara fullerēnus noderīgus nanotehnoloģijās.

Ražošana un tīrīšana

Biežākās sintēzes metodes ietver:

• Elektriskā loka izdalīšana: grafīta elektrodiem veidojot loku inertas gāzes atmosfērā (hēlijs/argons), rodas fulereni kā kondensāta daļa.
• Lāzera ablācija: grafīta mērķa bombardēšana ar lāzeru, kas iztvaicē oglekli un veicina fullerēnu veidošanos.
• Termiskā pirolīze/degšana: organisku molekulu termiska sadalīšana ierobežotās apstākļos var radīt fullerēnus.

Pēc ražošanas fullerēni parasti attīra, izmantojot šķīdību atbilstīgos šķīdinātājos un sadalot komponentes ar hromatogrāfiju (piem., HPLC), lai atdalītu C60, C70 u.c. frakcijas.

Lietojumi

Fullerēnu un to atvasinājumu īpašības padara tos noderīgus daudzās lietojumprogrammās. Piemēri:

• Elektronika un optoelektronika: aktīvās slāņi organiskajos saules elementos, laukos ar elektroluminiscenci un tranzistoros.
• Materiāli: kompozītmateriāli, kur fullerēni vai nanocaurulītes uzlabo mehāniskās īpašības un vadītspēju.
• Medicīna un farmācija: pētījumi par fullerēnu izmantošanu kā antioksidantiem, zāļu pārnēsātājiem vai fotodinamiskajā terapijā; daļa pētījumu joprojām ir eksperimentāla.
• Supravadītāji un magnētiskie materiāli: alkāliju dopēti C60 kristāli var kļūt par supravadītājiem pie salīdzinoši zemas temperatūras.
• Katalīze un sensorika: īpašas virsmas īpašības ļauj izmantot fullerēnus jutīgos sensoros un katalītiskos procesos.

Noteikšana un raksturošana

Fullerēnu analīzei izmanto virkni metožu:

• Masspektrometrija (piem., MALDI, EI) — molekulmasas noteikšana.
• UV–Vis un Raman spektroskopija — raksturīgas joslas C60 un citiem fullerēniem.
• NMR spektroskopija — struktūras un funkcionalizācijas pārbaude.
• X‑staru kristalogrāfija un transmisijas elektronmikroskopija (TEM) — struktūras visualizācija, īpaši noderīga nanocaurulītēm.

Drošība un ietekme uz vidi

Fullerēnu toksicitāte un vides ietekme ir rūpīgi pētīta, taču rezultāti nav viennozīmīgi. Dažas formas un atvasinājumi var būt relatīvi nekaitīgi, bet nepietiekami apstrādātas nanoformulas var izraisīt vietējas vai sistēmiskas bioloģiskas reakcijas. Praktiskā lietošanā svarīgi ir:

• ievērot pareizu darba drošību (aizsargapģērbs, ventilācija, filtrācija),
• izmantot atbilstošu atkritumu apsaimniekošanu,
• sektoru regulācijas un pētījumu rezultātu ievērošanu attiecībā uz vidi un cilvēku veselību.

Atklāšana un nosaukums

1985. gadā atklātā C60 struktūra izraisīja plašu interesi, un 1996. gadā Harolds Kroto, Ričards Smalijs un Roberts Kērls saņēma Nobela prēmiju ķīmijā par šo atklājumu. Nosaukums "fullerēns" un termins "buckyball" vai "buckminsterfullerene" atsaucas uz arhitekta Bukminstera Fullera kupolu formu, kas līdzinās fullerēnu ģeometrijai.

Fullerēni un ar tiem radītie materiāli turpina būt aktīva pētījumu objekts nanotehnoloģijās, materiālzinātnē un medicīnā — to unikālās īpašības sola jaunas tehnoloģiskas un zinātniskas iespējas, vienlaikus prasa rūpīgu drošības un ilgtspējas izvērtēšanu.