 | Nem tevesztend? ossze a kovetkez?vel:
Fulleren
.
|
|
|
Ezzel a szocikkel vagy szakasszal kapcsolatban felmerult kifogas(ok):
|
Nanotechnologia
Szen nanoszerkezetek
|
|---|
 |
|
Fullerenek
,
Buckminsterfulleren
,
C70-fulleren
,
Szen nanocs?
,
Grafen
,
Grafen nanoszalag
,
Szen nanoszal
,
Szen nanokup
,
Vantablack
|
| Szakteruletek
|
|
Anyagtudomany
,
Szilardtestfizika
,
Atomfizika
,
Mezoszkopikus fizika
,
Feluletfizika
,
Felvezet?k
|
| Alapjelensegek
|
|
Nanoszerkezet
,
Kvantumbezaras
,
Van Hove-szingularitas
,
Ketdimenzios elektrongaz
,
Ballisztikus vezetes
,
Onszervez?des
,
Alaguthatas
|
| Eljarasok
|
|
Nanolitografia
,
Atomer?-mikroszkop
,
Pasztazo alagutmikroszkop
,
Pasztazo elektronmikroszkop
,
Transzmisszios elektronmikroszkop
,
Magneses magrezonancia
|
 Commons
|
|
A
fullerenek
az elemi
szen
XX. szazad vegen felfedezett es el?allitott mesterseges modosulatai. A fullerenek meghatarozott, paros szamu (60, 72, 84 stb.) szenatombol allo ?szenmolekulak”. A leggyakoribb fullerenmolekula hatvan szenatomot tartalmaz (
buckminsterfulleren
, C
60
).
A fullereneket
1985
-ben fedezte fel
Harold Kroto
(University of Sussex),
Robert Curl
es
Richard Smalley
(Rice University), amiert 1996-ban
kemiai Nobel-dijat
kaptak. Letezesuket
Eiji Osawa
, a
Toyohashi M?szaki Egyetem
kutatoja mar
1970
-ben megjosolta. A fullereneket Richard
Buckminster Fuller
epitesz
,
kolt?r?l
, a
geodeziai kupola
feltalalojarol
neveztek el.
A fullerenekben minden szenatom harom masik szenatomhoz kapcsolodik. Egyhez kett?s, kett?hoz egyes kotessel, igy csak paros szamu atomokbol felepul? kalitkak kepz?dhetnek, es az otszogek szama mindig 12.
A fullerenek molekulait kizarolag ot- es hattagu gy?r?k epitik fel. Kulonosen stabilisak azok a szerkezetek, melyekben minden otszoget hatszogek vesznek korul. Peldaul a C
60
molekula pontosan olyan alaku, mint a futball-labda (leszamitva, hogy a
varratok
egyenesek).
A C
60
vekony filmje mustarszin?,
aromas szenhidrogenekben
oldva biborvoros. A C
70
vekony film formajaban vorosesbarna, oldata borvoros.
Fullerenek felfedezese: A nevezetes tiz nap
[
szerkesztes
]
540 szenatomos gombszer? molekula
A
New Scientist
folyoirat egyik 1966-os szamaban
Davis E. Jones
vetette fel el?szor, hogy gorbult grafitlemezekb?l elvileg ureges molekulak johetnek letre. Elmeleti uton tobben kiszamitottak, hogy egy 60 szenatomos gombszer? molekula stabil lehet. 1985-ben jottek ra el?szor, hogy ez a molekula szeng?zok kondenzalodasa kozben termeszetes uton is letrejon.
Harold Kroto
brit kemikus az 1970-es evek elejen a csillagkozi terben felfedezett
C
5
HN
-molekulak es hasonlo szenklaszterek szerkezetvizsgalataval es el?allitasaval foglalkozott. Egy spektroszkopiai konferencian talalkozott regi baratjaval
Robert F. Curllal
, aki felhivta figyelmet
Richard E. Smalley
lezer parologtato berendezesere a Rice egyetemen. Kroto arra gondolt, hogy a berendezessel modellezhetnek foldi korulmenyek kozott a csillagkozi terekben kimutatott szenvegyuletek kialakulasat. Megvizsgalhatnak, hogy van-e lehet?seg szenfurtok, esetleg hosszu szenlancu molekulak letrehozasara.
1985 szeptembereben 10 nap alatt kerult sor a kiserletekre, ahol is az esemenyek felgyorsultak.
1985. szeptember 1-jen (vasarnap) kezdtek a kiserletekhez, Kroto segitsege ket egyetemi hallgato, J. Heath es S. O’Brian volt.
1985. szeptember 4-6. (szerda, csutortok, pentek): a szen-lezerplazmaban mert TOF-MS spektrumon C
60
csucsot eszlelnek. Az eredmenyt megtargyaltak Curllel es Smalleyval. Dontes: Heath a hetvegen ellen?rizze es optimalja a kiserletet.
1985. szeptember 7-8. (szombat, vasarnap): Heath kulonboz? He-nyomason es fuvokakkal megismetelte a mereseket: a C
60
-csucs dramai novekedest mutatott es megjelent egy kifejezett C
70
-csucs is.
1985. szeptember 9. (hetf?): oten megtargyaltak a varatlan eredmenyt. Felmerult a szferikus molekula gondolata. Kroto megemliettei Buckminster Fuller vilagkiallitasi kupolacsarnokat. Ugyancsak Krotonak jut eszebe, hogy valaha gyerekeinek epitett egy papiridomot otszogekb?l es hatszogekb?l.
Este Heath es felesege (Carmen) ragogumi gombocskekb?l es fogpiszkalokbol megprobaltak modellezni a C
60
-molekulat, eredmenytelenul. Ejfel utan Smalley otthon, szamitogepen probalta modellezni a C
60
-at, szinten eredmenytelenul. Utana papir hatszogekb?l es otszogekb?l ragasztoszalaggal osszeallitott egy csonkitott ikozaedert (20 hatszog es 12 otszog = 60 csucs).
1985. szeptember 10. (kedd): Smalley osszehivta negy kollegajat es bemutatta a papirmodellt. Curl javasolta, hogy rajzoljak fel a kett?s koteseket is: stimmel. Megegyeztek a
buckminsterfulleren
elnevezesben. Megirtak egy rovid kozlemenyt: ?C
60
: Buckminsterfullerene” cimmel. Publikalasra bekuldtek a
Nature
-hoz. A nevet
R. Buckminster Fuller
tiszteletere adtak, mert ? molekula szerkezeti felepitest a
geodetikus kupola
tervezesekor papiron mar kidolgozta.
[1]
A felfedez?k az altaluk leirt molekulaszerkezetre roviden
buckyball
neven hivatkoztak.
Dietil-malonattal funkcionalizalt bukminsterfulleren
1985. szeptember 13. (pentek): a keziratot megkaptak a Nature-nel.
1985. november 14.: a ?C
60
: Buckminsterfullerene” cim? cikk megjelent a Nature-ben (318, 162-163, 1985).
A harom kutato a fullerenek felfedezeseert 1996-ban Nobel-dijat kapott. A vizsgalatok soran nehanyszor tizezer molekulara terjed? mennyiseg? anyaguk volt, es ez nem volt elegend? az uj anyag fizikai tulajdonsagainak teljes leirasahoz.
A fullerenek szerkezete, tulajdonsagai es felhasznalasi lehet?segei
[
szerkesztes
]
Ot evig kutattak, hogyan lehet nagyobb mennyiseg? fullerent el?allitani. A fullerenek els? gyakorlati vizsgalatara, tulajdonsagainak meresere 1990. majusaig kellett varni, amikor a
heidelbergi
Max Planck Magfizikai Kutatointezet
tudosa,
Wolfgang Kratschmer
es tanitvanya,
Konsztantinosz Fosztiropoulosz
el?szor allitotta el? nagyobb mennyisegben. A
tucsoni
Arizona Egyetemmel
(kozelebbr?l
Donald Huffmannal
es
Lowell Lambettel
) egyuttm?kodve allapitottak meg az uj anyag ultraibolya-spektrumat,
rontgendiffrakcios
szerkezetet, tomegspektrometrias tulajdonsagait. Huffman es Kratschmer korabban a
csillagkozi port
tanulmanyozt, es mar az 1985-os Nature-cikk nyoman ugy gondoltak, hogy az 1983 ota szamukra problemat okozo elnyel?desi savokat a fullerenek okozzak. 1990-ben a hipotezist igazoltak: a fulleren elnyelesi savjai megegyeztek a korabban csillagkozi porban tapasztalt, addig ismeretlen eredet? elnyelesi savokkal.
Az 1990-es evekben Kratschmer es Huffman uj technologiajaval mar sok kisebb laboratorium is megprobalkozhatott a fullerenek el?allitasaval es tulajdonsagaik vizsgalataval. Az els? eredmenyeket a magneses magrezonancia-spektroszkopia (NMR) alkalmazasaval ertek el, mivel ezzel mutattak ki el?szor egyertelm?en, hogy a 60 atomos molekula minden tagja teljesen egyenertek?, ez pedig csak az ikozaederes szerkezetben lehetseges. A molekulanak nincsenek elei es (alapesetben) felszini kot?desei, ezert a
molekularacsban
szabadon forog, masodpercenkent szazmillios nagysagrend? perdulettel. A C
70
ezzel szemben rogbilabda alaku, es a hossztengelye korul forog.
Pasztazo elektronmikroszkopos
felveteleken a 60 atomos molekula mar elkulonul? strukturat alkot, mivel merete meghaladja az 1 nanometert. A molekulak lapkozepes kobos rendszerben kristalyosodnak, a kristalyracsban az egyes molekulak tavolsaga kb. 1 nanometer. A C
60
kristalyai a
grafithoz
hasonloan puhak, 70%-kal tomoritve viszont mar a gyemantnal is kemenyebbek.
A buckminsterfulleren, a hatvan szenatombol allo, az europai futball-labdara hasonlito molekula a szen harmadik kristalyos modosulata a gyemant es a grafit mellett. Molekulajat, a
buckyball
t (C
60
-at) 12 otszog es 20 hatszog alkotja.
Az ujabb kutatasok fenyeben azonban nem csak harom allotrop modosulata letezik a szennek, hiszen a nagyobb molekulatomeg? fullerenek mindegyike kulon modosulatnak tekinthet?. Nagyobb szenatomszamu fullerenekben az ot- es hatszogek tobbfelekeppen rendez?dhetnek, igy sokfele izomerjuk lehetseges. A leggyakoribb fullerenek a C
60
, C
70
, C
76
, C
78
es C
84
. Izomerjeik kozul azok a legstabilabbak, ahol az otszogek csak hatszogekkel erintkeznek. A
fullerenek
merete korlatlanul novelhet?, akar makroszkopikus egykristalyok is kialakithatok. A
hiperfulleren
terbeli, koncentrikus gombokben egyre nagyobb meret? molekulakbol all, modelljeik kinezete alapjan sokszor
orosz tojasnak
nevezik. Ebben a C
60
-ast C
240
, majd azt C
540
, C
960
(korlatlanul folytathato) ovezi.
[2]
A C
60
aromas oldoszerekben jobban oldodik, mint alifas szenhidrogenekben. A h?merseklet novekedesevel a C
60
oldhatosaga a legtobb oldoszerben csokken, ezzel szemben a
ciklohexanban
valo oldhatosaga novekszik.
A C
60
mennyisegi meghatarozasanak a legegyszer?bb modja az oldat UV-VIS spektrofotometrias vizsgalata. Analitikai elvalasztasuk
HPLC
modszerrel jo hatekonysaggal elvegezhet?, koszonhet?en az ujonnan, specialisan erre a vegyuletcsoportra kifejlesztett allo fazisoknak (pl. Cosmosil PBB toltetcsalad). A modszer hatranya, hogy a toltetek dragak, oldoszerigenyuk nagy, es meg a kvantitativ oszlopok is csak nehany gramm fullerenkevereket kepesek egyidej?leg elvalasztani.
Elvalasztasra alkalmas modszer meg a vakuumszublimacio. A fullerenek nagy molekulatomeguk miatt nem illekonyak atmoszferikus korulmenyek kozott. A legalacsonyabb h?mersekleten, 970 K-en a C
60
szublimal el, majd ezt kovet?en, a h?merseklet novekedesevel aranyosan, a magasabb szenatomszamu fullerenek. Ezzel az eljarassal a C
60
-as 99,97%-os tisztasagban nyerhet? ki.
A gombszer? szerkezetnek koszonhet?en a fullerenmolekulak konnyen elmozdulhatnak egymason, ez jo kenesi tulajdonsagokat eredmenyez. Kutatok kiserleteztek azzal is, hogy a fullerenmolekula kett?s koteseit kulonfele atomokkal, peldaul fluoratomokkal telitsek jo kenesi tulajdonsaggal rendelkez? golyoscsapagy el?allitasa celjabol. Sajnos az uj molekula vizre erzekeny, ezert csapagykent nem alkalmazhato.
Kozepes nyomason (160 bar) mar szobah?mersekleten gyemantta alakithatok, szemben a grafittal, amelynek atalakitasahoz a nagy nyomas mellett magas h?merseklet is szukseges. Ezt a tulajdonsagot gyemantbevonatok kialakitasara lehet hasznositani.
Figyelemre meltoak a fullerenek optikai tulajdonsagai is. Az oldataik nemlinearis optikai tulajdonsagokat mutatnak. Nemely esetben megvaltoztatjak a frekvenciat, vagy er?s feny hatasara kevesebb fenyt eresztenek at. Igy optikai aramkorokben lehetne ?ket alkalmazni. Megfelel? fennyel besugarozva vezetik az elektromossagot is.
A molekulak merete es alakja valoszin?siti, hogy biologiailag aktiv molekulak lehetnek. Ebbe az iranyba mar tortentek kiserletek. Megallapitottak, hogy vizes kolloid oldatkent a C
60
igen kis koncentracioban bakteriumol? hatasu. Biologiai aktivitasuk lehet?seget mutatja az a teny, hogy
hidrogennel
reakcioba lep, es C
60
+ 30 H
2
egy C
60
H
60
keplet? anyagot eredmenyez, ezt teljesen hidrogenezett fullerennek nevezik.
A fullereneknek tobbfele szarmazeka letezik:
- intersticialis vegyuletek
,
- molekulavegyuletek
(adduktumok),
- funkcionalizalt fullerenek
es
- endohedralis
vegyuletek.
A megfelel? alkalifem g?zzel kezelve a C
60
-at a molekularacsba alkalifem atomok epulhetnek be. Ezek az
intersticialis vegyuletek
szupravezetest mutatnak. A kaliumso 18 K, a rubidiumso 30 K alatt ellenallas nelkul vezeti az elektromos aramot. A femionok beepulnek a kristalyracsba a fullerenmolekulak koze. Az egymassal erintkez? fullerenmolekulak vezet? kozegkent viselkednek az ionok kepz?desekor felszabadulo elektronok szamara. Ezek az anyagok voltak az els? haromdimenzios szerves vezet?k.
Magyar kutatok mechanokemiai modszerrel, golyosmalomban tiszta C
60
-at es kristalyos gamma-ciklodextrint egyutt ?rolve C
60
- gamma-ciklodextrin adduktumot allitottak el?, amely vizben oldhato. Ezaltal lehet?seg nyilt a fullerenek biologiai rendszerekben valo tanulmanyozasara.
Kulonboz? szerves es szervetlen kis- es nagymolekulak is
addicionalhatok
a feluleti kett?s kotesekre,
funkcionalizalt fullerenek
et kialakitva. Ezzel a fullerenkemia hatarai jelent?s mertekben kiszelesednek.
A fullerenek fontos jellemz?je, hogy a molekula zart szerkezet?, belsejeben ureges kalitka helyezkedik el. Ez az ureges kalitka olyan nagy, hogy barmely elem atomjat (atomjait) kepes magaba zarni. Ezaltal
endohedralis molekulak
allithatok el? bel?le. Ezek alkalmazhatoak lennenek a gyogyaszatban, illetve
MRI-kontrasztanyagokkent
.
A fullerenek alkalmazhatosagahoz sok teruleten f?znek remenyeket. Fiatal tudomanyagkent a kiserleti lehet?segek szama belathatatlan, igy fokozatosan b?vulnek azok a teruletek, ahol potencialis alkalmazasuk lehet?sege felmerul. Szamos talalmanyi bejelentes szuletett az evek folyaman, am tenyleges, ipari meret? felhasznalasa meg nem ismert. Bar a C
60
ara az utobbi evekben jelent?sen csokkent, meg mindig a korlatozott termeles es emiatt a magas ar all utjaba az alkalmazasoknak.
A fullereneket alkalmazhatjak ken?anyagkent. Az emberi testben az izuletekben potolja az izuleti nedvek folyadekveszteseget. Nem human alkalmazasi lehet?seg, hogy a hatarfeluleteken ken?anyagkent alkalmazzak, mert a motorolajhoz hasonloan el?segiti a kenest.
Az analitikai kemiaban alkalmazhatjak a kromatografiaban allofaziskent toxikus poliaromas szenhidrogenek elvalasztasara. Ebben az esetben az allofazis fulleren alapu polisztirol divinil-benzol gyongyoket tartalmaz.
Gyogyszereszeti es biologiai alkalmazasat a fulleren alapu kompozitok elter? biologiai aktivitasa teszi lehet?ve, ami a hatasat in vitro, vagy in vivo modon fejti ki.
Lehet?seg van napelemben valo alkalmazasara, illetve korszer? h?ved? es egesgatlo bevonatok keszitesere, mert a mikronos vastagsagu fulleren filmnek nagy a szublimacios h?je es lassu a parolgasa, a kristalyban a fullerenmolekulak igen pontosan retegz?dnek es megis szabadon forognak.
A
szupravezetesben
is jelent?sse valhat, mivel a K
3
C
60
mar 18 K, a RbC
60
30 K h?mersekleten szupravezet?ve valik.
A fullerenek el?allitasa
[
szerkesztes
]
A fullerenek el?allitasa a szen alapu prekurzorok (elemi szen, szenhidrogenek) elparologtatasan es megfelel? korulmenyek kozotti kondenzaciojan alapul. Az elemi szen a parolgashoz szukseges h?mersekletet (kb. 4000 °C) plazmaallapotu gazterben erheti el.
- El?allitas DC ivplazmas reaktorban: Az ivaram novelesevel a korom fullerentartalma maximumos gorbe szerint valtozik. Az adott berendezesben ezert a termeles nem novelhet? korlatlanul. A modszer epp ezert tomegtermelesre nem alkalmas es nagy az energiaigenye is. Ennek ellenere jelenleg az ?ipari” fulleren termeles ezzel a modszerrel tortenik. Az ivet grafitelektrodok kozott huzzak, heliumatmoszferaban. Az el?allitas koltsege ezzel a modszerrel
[3]
5 cent/gramm.
- Laboratoriumi modszerek: A feluzemi-uzemi meret? fulleren-el?allitasi modszerek mellett laboratoriumi szint? kiserletek folynak tovabbi, olcsobb, jobb hatekonysagu es termelekenyseg? modszerek fejlesztesere. Peldaul:
- 3 fazisu ivplazma eg?s berendezes: A plazma eg? harom grafitelektrodbol all. A kiindulasi anyagoktol es a plazma gazosszetetelet?l fugg?en kormot, fulleren tartalmu kormot es nanocsoveket allitottak el?.
- Induktiv kicsatolasu, nagyfrekvencias plazmaberendezes: induktiv kicsatolasu plazmaeg?be finom eloszlasu kormot adagoltak. A szen elparolgasa es ujboli lecsapodasa soran megfelel? korulmenyek kozott fullerenek is kepz?dtek.
A fullerenek szintezisekor minden egyeb elem jelenlete elkerulend?, mivel az epul? kalitka szabad koteseire kothetnek, es ezzel gatolhatjak a zarodast. Emiatt a hagyomanyos, ivplazmas eljarasban kiindulo anyagkent draga, nagy tisztasagu grafitelektrodokat hasznalnak.
- Robert F. Curl - Richard E. Smalley (1991). ?A fullerenek”.
Scientific American (magyar kiadas)
(12), 16?25. o.
- Robert F. Curl - Richard E. Smalley (1988). ?Probing C
60
”.
Science
(242), 1017?1022. o.
- Harold W. Kroto (1988). ?Space, Stars, C
60
and Soot”.
Science
(242), 1139?1145. o.
- Richard E. Smalley (1991). ?Great Balls of Carbon”.
The Sciences
(31), 22-28. o.
- Laszlo Mihaly es tarsai (1991). ?Structure of Single Phase Superconducting K
3
C
60
”.
Nature
(351), 632-634. o.
- ↑
A
geodetikus kupolae' csupa egyenesekb?l allo, idealis gorbulet? gombfelszin.
- ↑
Leonhard Euler
szamitasai alapjan mar regen tudjuk, hogy a hasonlo szerkezetekben mindig 12 darab otszog es valtozo szamu hatszog van.
- ↑
Smalley 1991-es kozlese
Tovabbi informaciok
[
szerkesztes
]