Fulleren: Hule kulstofmolekyler (C60, buckyballs og kulstofnanorør)

Opdag fullerenes verden: C60, buckyballs og kulstofnanorør — struktur, fremstilling og historien bag opdagelsen af disse hule kulstofmolekyler.

En fulleren er et molekyle, der udelukkende består af kulstof i form af en hul kugle, en ellipsoide eller et rør. Kugleformede fullerener kaldes også buckyballs og ligner de bolde, der bruges i foreningsfodbold. Cylindriske typer kaldes carbon nanotubes eller buckytubes. De er normalt fremstillet i form af en hul kugle eller et hul rør. Fullerenen blev fundet i 1985 af Robert Curl, Harold Kroto og Richard Smalley på University of Sussex og Rice University og blev opkaldt efter Buckminster Fuller, fordi hans berømte geodætiske kupler har samme form.

Fullerener fremstilles ved opvarmning af grafit i en elektrisk lysbue i nærvær af inerte gasser som helium eller argon.

Struktur og grundlæggende egenskaber

C60, den mest kendte fulleren, består af 60 kulstofatomer arrangeret som en trunceret ikosaeder: 12 femkanter og 20 sekskanter. Formen minder om en fodbold, og molekylets diameter er omkring 0,7–0,8 nm. Kulstofatomernes bindinger er overvejende sp²-hybridiserede og danner et sammenhængende π-system, hvilket giver særlige elektroniske egenskaber. C60 virker ofte som en elektronacceptor og har et relativt lille elektronisk båndgab (typisk i området ~1,5–2,0 eV afhængig af prøven og målemetoden).

Varianter og relaterede strukturer

Ud over C60 findes andre fullerener som C70 og langt større kulstofkugler. Endvidere findes cylindriske fullleren-lignende strukturer, kendt som kulstofnanorør (carbon nanotubes), som kan være enkeltvæggede (SWCNT) eller flerveggede (MWCNT). Der findes også endohedrale fullerener, hvor atomer eller små klynger indfanges inde i hulrummet (f.eks. metallofullerener), hvilket giver nye kemiske og magnetiske egenskaber.

Fremstilling og rensning

De mest almindelige produktionsmetoder er lysbuemetoden (arc discharge), laserablation af grafit og kemisk dampaflejring (CVD) for nanorør. Råmaterialet er ofte sod, som efter produktion ekstraheres med organiske opløsningsmidler (f.eks. toluen, benzen eller CS2). Efter ekstraktion anvendes kromatografiske teknikker (kolonne- eller HPLC) og sublimation til at adskille og rense de enkelte fullerener.

Karakterisering

Fullerener karakteriseres ved en række teknikker: røntgenkrystallografi (for at bestemme krystal- og molekylstruktur), Raman- og IR-spektroskopi, UV-Vis, NMR og massespektrometri. Transmissionselektronmikroskopi (TEM) anvendes især til at studere nanorør.

Kemi og reaktivitet

Selvom fullerener er relativt stabile, kan de funktionaliseres kemisk for at ændre opløselighed og reaktivitet. Typiske reaktioner omfatter additionsreaktioner (f.eks. Diels–Alder), nukleofile angreb og dannelse af derivater, som gør dem lettere at opløse i vand eller sætte på overflader. Doping med alkalimetaller (f.eks. K3C60) kan gøre materialet ledende og endog superconductivt ved lave temperaturer (kritisk temperatur op til ~18 K for visse fulllenider).

Anvendelser

• Elektroniske og optoelektroniske komponenter: fullerender og deres derivater bruges som elektronacceptorer i organiske solceller og i organisk elektronik (eksempel: PCBM - en C60-derivat).
• Materialer: inkorporeret i kompositter for at forbedre mekaniske og friktionsmæssige egenskaber; anvendt i smøremidler og belægninger.
• Forskning i medicin og biotek: undersøgt til målrettet lægemiddellevering, som radikalfangere/antioxidanter og til billeddiagnostik; funktionaliserede fullerener kan gøres vandopløselige til biologiske anvendelser.
• Katalyse og sensorer: visse fullerender og endohedrale varianter fungerer som katalysatorer eller som komponenter i kemiske sensorer.
• Superledning: alkalimetal-dopede fullerider udviser superledende egenskaber ved lave temperaturer.

Historie og videnskabelig betydning

Opdagelsen af fullerenen i 1985 åbnede et helt nyt felt inden for kulstofkemi og nanoteknologi og førte til tildelingen af Nobelprisen i kemi i 1996 til Robert Curl, Harold Kroto og Richard Smalley. Siden da har forskning i fullerener og relaterede kulstofnanostrukturer (især grafen og kulstofnanorør) været intens og tværfaglig og resulteret i mange nye materialer og teknologiske idéer.

Sikkerhed og miljø

Fullerener er ikke simpelthen uskadelige; deres toksicitet afhænger af størrelse, overfladefunktionalisering og eksponeringsvej. Nogle fulllerender kan danne reaktive oxygenarter under lys og i biologiske miljøer. Miljøpåvirkning og toksikologi er aktivt undersøgelsesfelt, og forsigtighed anbefales ved håndtering af ubehandlede nanopartikler. Funktionsbundne eller vandopløselige derivater kan have andre sikkerhedsprofiler, så hver anvendelse kræver særskilt vurdering.

Afsluttende bemærkninger

Fullerener repræsenterer en vigtig klasse af kulstofmaterialer med unikke strukturelle, elektroniske og kemiske egenskaber. Fra grundforskning til potentielle tekniske og medicinske anvendelser fortsætter de med at være et centralt fokus i nanovidenskab og materialeforskning.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er en fulleren?

Sp: Hvem opdagede fullerenen?

Spørgsmål: Hvorfor er den opkaldt efter Buckminster Fuller?

Spørgsmål: Hvordan fremstilles fullerener?

Spørgsmål: Hvad henviser C60 til?

Spørgsmål: Hvad henviser C60's netværk til?

Søg efter bogstav