Fullereny

Fullereny jsou molekuly, tvořené atomy uhlíku uspořádanými do vrstvy z pěti- a šestiúhelníků s atomy ve vrcholech, která je prostorově svinuta do uzavřeného tvaru (nejčastěji do tvaru koule nebo elipsoidu). Vzhledem k této struktuře jsou mimořádně odolné vůči vnějším fyzikálním vlivům. V dutině molekuly fullerenu může být uzavřený jiný atom, několik atomů či malá molekula.

Fulleren C540

Zatím nejstabilnější známý fulleren obsahuje 60 atomů uhlíku.[1][2]

Fullereny se uměle připravují nejčastěji v elektrickém oblouku s uhlíkatými elektrodami nebo pyrolýzou organických sloučenin v kontrolovaném plameni.

Fullereny byly nazvány po americkém architektovi Buckminsteru Fullerovi, který projektoval geodetické kopule podobného tvaru. Za objev a studium vlastností fullerenů byla v roce 1996 udělena[3] Nobelova cena za chemii Robertu F. Curlovi a Richardu E. Smalleymu a Haroldu W. Krotoovi. V současné době je výzkum vlastností a metod přípravy fullerenů velmi intenzivně studován na řadě vědeckých institucí po celém světě (v Česku od 80. let[4] zkoumal[5] průkopník jejich nanotechnologických užití Zdeněk Slanina).

Objev a vlastnosti

V roce 1992 předpověděl P. R. Buseck, že fullereny mohou být nalezeny ve fulguritech neboli sklech protavených úderem blesku. O rok později tento předpoklad potvrdil T. K. Dally při výzkumu fulguritu ze Sheep Mountain v Coloradu.

Systematicky byly prozkoumány fullereny až do molekuly obsahující 96 atomů uhlíku. Organická chemie se nejvíce rozvíjí kolem molekul s 60 a 70 atomy. Pro metallofullereny, tedy fullereny které mají ve své dutině umístěn atom či i několik atomů kovu (La, Ca, Li; ale i He, N - tzv. endohedrální fullereny), se jako základ používají i vyšší molekuly jako třeba C80 či C82. Z fullerenů se odvozují i uhlíkaté nanotrubičky. Ty na jedné straně respektují hlavní topologický rys fullerenů - výstavba z proměnlivého počtu šestiúhelníků a dvanácti pětiúhelníků, jejich typickým tvarem je ale protažený válec. Vlastní fullereny přitom bývají tvarem poměrně blízké kouli.

Buckminsterfulleren (C60)

Nejnověji se ukazuje možnost připravit i fullereny menší než C60, např. C36, a molekuly tvaru fullerenů složené i z jiných prvků než z uhlíku. Tzv. BN-fullereny například obsahují pouze bór a dusík.

Pevné krystalické formy fullerenů se nazývají fullerity. Stlačením fulleritu za vysoké teploty lze připravit mikrokrystalický diamant zajímavých vlastností.

Do vnitřní dutiny fullerenů lze vložit (enkapsulovat) některé malé molekuly, jako je např. vodík, dusík, Sc3N či vodu.[6] Takto vložené molekuly pak ovlivňují výsledné vlastnosti fullerenů.[7][8][9][10]

Typy fullerenů
  • buckyball klastry: nejmenší z nich je C20, ale nejčastější typ je C60
  • polymerní: řetěze dvou a třídimenzionálních polymerů utvářených pod vysokým tlakem a teplotou;
  • nano"onions": vícevrstvé sférické fullereny (využití jako mazivo)
  • buckypaper: experimentální fullereno-kompozitní materiály

Strukturu blízkou fullerenům (tedy tvořené vrstvou nebo několika málo vrstvami atomů uhlíku uspořádaných do pětiúhelníků a šestiúhelníků) mají:

Příprava fullerenů

Jsou známy čtyři způsoby přípravy pyrolýzou:

  • Rozhodující metoda přípravy využívá vypařování grafitu v elektrickém oblouku v atmosféře inertního plynu.
  • Metoda přípravy fullerenu v plamenech různých organických látek se zatím příliš nevžila.
  • Třetí metoda pracuje se slunečním zářením koncentrovaným pomocí zrcadla do ohniska, ve kterém je umístěn grafit.
  • Poslední metoda využívá pyrolýzy organických sloučenin laserem.

Postupný rozvoj průmyslové produkce významně snížil ceny fullerenů. Časově nejnáročnější fází celého procesu je separace jednotlivých fullerenů pomocí kapalinové chromatografie.

Využití fullerenů

Největší prostředky jsou v současnosti vynakládány na výzkum fullerenů jako nových perspektivních materiálů pro techniku. Mezi nejdůležitější vlastnosti patří jejich supravodivost. Ukázalo se, že je možno vytvářet sloučeniny C60 s alkalickými kovy, které jsou supravodivé při teplotách 18 K i vyšších.

Dalším perspektivním oborem, kde se dá předpokládat jejich využití, je lékařství. Např. by je šlo využít jako léčiva na AIDS.

Již od počátku 21. století jsou fullereny využívány jako mikrokomponenty v nanoinženýrství.

Odkazy

Reference
  1. PETRÁSEK, Martin. Svět vesmíru [online]. 2005-11-24 [cit. 2009-05-26]. Kapitola Diamanty už nejsou nejtvrdší!. Dostupné online.
  2. KRATSCHMER, W., et al. A new form of Carbon [online]. 1990. S. 354. DOI 10.1038/347354a0.
  3. Slanina, Z., První Nobelova cena pro fullereny: http://chemicke-listy.cz/Bulletin/bulletin281/970101.html
  4. Až do (druhého) administrativního zákazu, blíže: http://www.scienceworld.cz/ostatni/dopis-ctenare-dusene-fullereny-po-cesku-4182/?switch_theme=mobile http://www.scienceworld.cz/neziva-priroda/dopis-ctenare-o-pocatcich-molekulove-elektroniky-v-cechach-4226/?switch_theme=mobile
  5. Slanina, Z., Obří molekuly uhlíku, Vesmír 67, 13, 1988/č.1
  6. Dokonce i dimér vody: http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/1536383X.2015.1072515#abstract
  7. Vougioukalakis, Gc; Roubelakis, Mm; Orfanopoulos, M. Open-cage fullerenes: towards the construction of nanosized molecular containers.. Chemical Society Reviews. 2010, s. 817–44. DOI 10.1039/b913766a. PMID 20111794. (anglicky)
  8. Hummelen, Jan C.; PRATO, Maurizio; WUDL, Fred. There Is a Hole in My Bucky. Journal of the American Chemical Society. 1995, s. 7003. DOI 10.1021/ja00131a024. (anglicky)
  9. Roubelakis, Mm; Vougioukalakis, Gc; Orfanopoulos, M. Open-cage fullerene derivatives having 11-, 12-, and 13-membered-ring orifices: chemical transformations of the organic addends on the rim of the orifice.. The Journal of organic chemistry. 2007, s. 6526–33. ISSN 0022-3263. DOI 10.1021/jo070796l. PMID 17655360. (anglicky)
  10. Příprava He@C60 a He2@C60 pomocí exploze. www.z-moravec.net [online]. [cit. 2013-02-13]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2011-07-24.

Literatura
  • SODOMKA, Jaromír. Fullereny – struktura, vlastnosti a perspektivy použití v dopravě [online]. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta dopravní, 2002 [cit. 2009-05-26]. Dostupné online.[nedostupný zdroj]

Externí odkazy

Související články
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.