Fuleren - Polski Serwis Naukowy

Kulista cząsteczka C60

Elipsoidalna cząsteczka C70

Fulereny (fullereny) (ang. fullerenes) – cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w środku bryłę. Cząsteczki fulerenów zawierają od 28 do ok. 1500 atomów węgla.

Właściwości chemiczne fulerenów są zbliżone pod wieloma względami do węglowodorów aromatycznych. Fuleren C60, zwany czasem fulerytem przez analogię do grafitu, jest odmianą alotropową węgla.

Atom (z gr. ἄτομος atomos: "niepodzielny") – najmniejszy składnik materii, któremu można przypisać właściwości chemiczne. Atomistyczną teorię budowy materii sformułował w roku 1808 John Dalton.
Alotropia - zjawisko występowania różnych odmian tego samego pierwiastka chemicznego różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmiany alotropowe pierwiastka mogą różnić się między sobą budową kryształów lub liczbą atomów w cząsteczce.

Etymologia nazwy i historia odkrycia

Za inicjatora tego odkrycia uważa się Harolda Kroto, z Uniwersytetu Sussex, z południowej Anglii, który badając w ramach swojej pracy doktorskiej przemiany związków węgla zachodzące w okolicach wygasłych gwiazd, metodami spektroskopowymi, odkrył charakterystyczne wąskie linie spektralne, które odpowiadały aromatycznym związkom węgla.

Toluen (metylobenzen), C6H5CH3 - organiczny związek chemiczny z grupy węglowodorów aromatycznych, stosowany często jako rozpuszczalnik organiczny. Odkrywcą toluenu był polski chemik Filip Walter.
Teksas (ang. Texas) – stan w południowej części Stanów Zjednoczonych, położony na wybrzeżu Zatoki Meksykańskiej, sąsiadujący ze stanami Luizjana i Arkansas na wschodzie, stanem Oklahoma na północy i Nowym Meksykiem na zachodzie. Na południowym zachodzie graniczy z Meksykiem. Obszar w większości wyżynny (Wielkie Równiny), w części południowo-zachodniej niewielkie obszary górzyste, w części południowo-wschodniej Nizina Zatokowa.

Mniej więcej w tym samym czasie zespół naukowy z Uniwersytetu Rice w Houston w Teksasie, w skład którego wchodzili James Heath, Sean O'Brien, Robert Curl i Richard Smalley, opracował zestaw do syntezy związków organicznych w wyniku naświetlania promieniem lasera obracającej się tarczy grafitowej. Otrzymano w tych warunkach szereg bardzo nietypowych związków o budowie klatkowej. Wzbudziło to duże zainteresowanie Harolda Kroto, który zauważył, że warunki panujące podczas tych syntez są bardzo podobne do warunków jakie panują w gwiazdach. Nasunęło to myśl by wykorzystać to urządzenie do syntezy pochodnych węgla.

Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (przewodnictwo właściwe) może być zmieniana w szerokim zakresie (np. 10-8 do 106 S/m (simensa na metr)) poprzez domieszkowanie, ogrzewanie, oświetlenie badź inne czynniki. Przewodnictwo typowego półprzewodnika plasuje się między przewodnictwem metali i dielektryków.
Azot (N, łac. nitrogenium) – pierwiastek chemiczny z grupy niemetali. Zawartość w górnych warstwach Ziemi wynosi 0,0019%. Stabilnymi izotopami azotu są 14N i 15N. Azot w stanie wolnym występuje w postaci dwuatomowej cząsteczki N2. W cząsteczce tej dwa atomy tego pierwiastka są połączone ze sobą wiązaniem potrójnym. Azot jest podstawowym składnikiem powietrza (78,09% objętości). Wchodzi w skład wielu związków, takich jak: amoniak, kwas azotowy, azotany oraz wielu ważnych związków organicznych (kwasy nukleinowe, białka i wiele innych). Azot w fazie stałej występuje w sześciu odmianach alotropowych nazwanych od kolejnych liter greckich (α, β, γ, δ, ε, ζ). Najnowsze badania wykazują prawdopodobne istnienie kolejnych dwóch odmian (η, θ).

Harold Kroto dołączył do tego zespołu w 1985 roku w ramach stażu podoktorskiego. Wspólnie z Richardem Smalleyem podjęli się badań nad otrzymaniem związków węgla o dużej masie cząsteczkowej. Już pierwszego dnia odkryto tajemniczy związek o masie cząsteczkowej 720 u, który występował w większym stężeniu niż wszystkie inne. Dokładne przemyślenia doprowadziły ich do struktury "piłki futbolowej". Następnie na drodze obliczeń kwantowo-mechanicznych dowiedli, że związek taki powinien generować dokładnie jedną linię w widmie 13C NMR, ściśle odpowiadającą widmu związku uzyskanego przez Harolda Kroto i zespołu z Uniwersytetu Rice.

Addycja (przyłączanie) - rodzaj reakcji chemicznej, polegającej na przyłączeniu jednej cząsteczki do drugiej w wyniku czego powstaje tylko jeden produkt, bez żadnych produktów ubocznych. W chemii organicznej addycja przebiega zwykle z rozerwaniem wiązania wielokrotnego węgiel-węgiel lub węgiel-heteroatom. Istnieją jednak proste reakcje addycji, które zachodzą bez zrywania wiązań wielokrotnych takie jak np: rekombinacja rodników.
HPLC (ang. High Performance Liquid Chromatography – wysokosprawna chromatografia cieczowa) – to technika analityczna a także preparatywna, stosowana do badania czystości, oczyszczania i identyfikacji substancji chemicznych.

Za odkrycie fulerenów Harold Kroto z Uniwersytetu Sussex w Brighton (Wielka Brytania) oraz zespół R.E. Smalley i R.F Curl jr. z Uniwersytetu Rice w Huston (Teksas, USA) w 1996 roku otrzymali Nagrodę Nobla z dziedziny chemii. Harold Kroto kontynuował badania nad fulerenami na Uniwersytecie Sussex, m.in. wyodrębniając je w bardzo żmudny sposób z sadzy i rozpoczął badania ich własności chemicznych. W 1990 roku niemieccy badacze W. Kratschmar i D. Huffman po raz pierwszy opublikowali względnie tanią i wydajną metodę syntezy fulerenów poprzez kontrolowane spalanie węgla w łuku elektrycznym w atmosferze helu, która otworzyła drogę do praktycznego zastosowania tych związków, lecz nie zostali uwzględnieni w nagrodzie Nobla.

Hel (He, łac. helium) – pierwiastek chemiczny, z grupy gazów szlachetnych w układzie okresowym. Jest po wodorze drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, jednak na Ziemi występuje wyłącznie w śladowych ilościach (4·10-7% w górnych warstwach atmosfery).
Fuleryty - ciała stałe utworzone z fulerenów i ich pochodnych. Czasem pod tym terminem rozumie się pojedynczy fuleren C60 (przez analogię do grafitu) - odmianę alotropową węgla.

Zgodnie z opowieściami Harolda Kroto, widok kopuły geodezyjnej skonstruowanej z pięcio- i sześciokątów, którą widział podczas Światowej Wystawy zainspirowała ich obu do wspólnego skonstruowania pierwszego modelu fulerenu C60. Model taki dla klasterów węglowych zaproponował już w 1970 E. Osawa. Inni członkowie zespołu Smalleya zaczęli konstruować podobne modele kolejnych fulerenów sferycznych, a także zauważyli, że można na ich bazie konstruować rurki.

Grafit – pospolity i szeroko rozpowszechniony minerał z gromady pierwiastków rodzimych. Stosowany jako naturalny suchy smar. Jest – obok diamentu i fulerytu – odmianą alotropową węgla. Nazwa pochodzi od gr. graphein = pisać, nawiązuje do tradycyjnego zastosowania tego minerału.
Sadza (pot. kopeć) - produkt powstający w trakcie niepełnego spalania paliw i innych materiałów zawierających w swoim składzie chemicznym znaczne ilości węgla. Głównym, choć nie jedynym składnikiem sadzy jest amorficzna postać węgla. Oprócz tego sadza zawiera zwykle drobne struktury grafitopodobne, niewielkie ilości fulerenów i struktur fulerenopodobnych oraz resztki spalanych substancji organicznych, np: tłuszcze i popiół.

Nazwa "fuleren" pochodzi od nazwiska amerykańskiego architekta R. Buckminster Fullera, który wymyślił pokrycia hal w postaci tzw. kopuł geodezyjnych, opartych o kratownice pokryte płytami w kształcie wielokątów foremnych. Na tej konstrukcji oparty był również, zatwierdzony przez FIFA i używany przez 36 lat (1970-2006), wzór piłki nożnej (Buckminster Ball).

Grafen – jedna z alotropowych form węgla, odkryta w 2004 roku przez grupę brytyjsko-rosyjską. Grafen zbudowany jest z pojedynczej warstwy atomów węgla tworzących połączone pierścienie sześcioczłonowe i może być uważany za ostatni członek szeregu wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Ponieważ grubość materiału wynosi jeden atom, tę formę określa się jako dwuwymiarową (dokładniej dwuwymiarową strukturę atomów węgla ułożonych w sieć heksagonalną). Długość wiązań węgiel-węgiel wynosi ok. 1,42 Å, czyli 0,142 nanometra.
Węglowodory aromatyczne, areny – cykliczne węglowodory, w których istnieje układ naprzemiennie położonych sprzężonych wiązań podwójnych i pojedynczych między atomami węgla. Cząsteczki związków aromatycznych są płaskie (o ile ich struktura przestrzenna nie wymusza odchyłek, jak np. dla fullerenu C60), a wszystkie atomy pierścienia aromatycznego muszą mieć hybrydyzację sp2.

Na cześć konstruktora kopuły w Dallas, zaczęli oni między sobą nazywać w żartach tego rodzaju związki "Bucky balls" (czyli w wolnym tłumaczeniu "jaja Buckiego" lub "piłki Buckiego"), co zostało w pierwszej publikacji przerobione na bardziej poważnie brzmiącą nazwę "Buckminster fulleren", z której to nazwy wywiedziona została nazwa dla całej klasy tego rodzaju związków.

Nanocebulki - struktury odkryte w produktach kondensacji monowarstw grafitu wykazujące sferyczność i wielościenność. Zaliczane są do rodziny fulerenów. Posiadają one strukturę wielowarstwową przypominającą budowę cebuli.
Uniwersytet Rice (ang. Rice University, oficjalna lecz rzadziej używana nazwa to William Marsh Rice University) - prywatny uniwersytet w Stanach Zjednoczonych, w Houston w stanie Teksas. Ma około 5 tys. studentów. Otwarty w 1912 pod nazwą The William Marsh Rice Institute for the Advancement of Letters, Science and Art.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)