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Fullereni. Storia dell'invenzione e della produzione

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Fullerene, buckyball o buckyball è un composto molecolare appartenente alla classe delle forme allotropiche del carbonio e che rappresenta poliedri chiusi convessi composti da un numero pari di atomi di carbonio a tre coordinate. I fullereni devono il loro nome all'ingegnere e architetto Richard Buckminster Fuller, le cui strutture geodetiche sono costruite su questo principio. Inizialmente, questa classe di giunti era limitata a strutture contenenti solo facce pentagonali ed esagonali.

Fullerene С60

La sostanza più dura in natura è il diamante. Questo composto di carbonio ha un reticolo cristallino a forma di tetraedro, una piramide con quattro facce triangolari uguali. Le sue sommità sono formate da quattro atomi di carbonio. Un triangolo è una figura molto rigida, può essere spezzato, ma non può essere deformato o schiacciato. Ecco perché la forza del diamante è così alta.

In natura i cristalli sono noti con un reticolo costituito non da atomi, ma da molecole. Se le molecole sono abbastanza grandi e i legami tra di loro sono forti, il reticolo cristallino è estremamente forte. Queste condizioni sono pienamente soddisfatte dai fullereni: avendo un diametro maggiore di 0,5 nm, si combinano in un cristallo con cellule inferiori a 1,5 nm.

Come spesso accade, la scoperta dei fullereni non è stata il risultato di una ricerca mirata. La principale direzione di lavoro nel laboratorio di R. Smalley alla Rice University (Texas), dove negli anni '1980 è stata fatta una scoperta relativa allo studio della struttura dei cluster metallici. La tecnica di tali studi si basa sulla misurazione degli spettri di massa delle particelle che si formano a seguito dell'intensa azione della radiazione laser sulla superficie del materiale in esame.

Schema dell'impianto per l'ottenimento di fullereni: 1 - elettrodi di grafite; 2 - bus in rame raffreddato; 3 - involucro in rame, 4 - molle

"Nell'agosto del 1985, il noto astrofisico G. Kroto venne al laboratorio di Smalley", scrive Alexander Valentinovich Yeletsky sul Soros Educational Journal, "che lavorò al problema dell'identificazione degli spettri della radiazione infrarossa emessa da alcuni ammassi interstellari. Uno dei le possibili soluzioni a questo problema sono abbastanza antiche in astrofisica, potrebbero essere associate agli ammassi di carbonio, che, come sapete, costituiscono la base degli ammassi interstellari. Lo scopo della visita di Kroto in Texas era un tentativo, utilizzando l'attrezzatura del laboratorio di Smalley , per ottenere una conclusione sulla loro possibile struttura dallo spettro di massa dei cluster di carbonio.

I risultati degli esperimenti hanno portato a uno stato di shock dei suoi partecipanti. Mentre per la maggior parte dei cluster precedentemente studiati, i valori tipici dei numeri magici sono 13, 19, 55, ecc., a seconda della disposizione reciproca degli atomi, sono stati osservati picchi chiaramente pronunciati con il numero di atomi di 60 e 70 in lo spettro di massa dei cluster di carbonio L'unico coerente Questa caratteristica dei cluster di carbonio è stata spiegata dall'ipotesi che gli atomi di carbonio formino strutture sferiche e sferoidali chiuse stabili, in seguito chiamate fullereni.

Questa ipotesi, poi confermata da studi più approfonditi, costituì essenzialmente la base per la scoperta dei fullereni. La pubblicazione delle prime osservazioni sui fullereni è stata inviata alla rivista "Nature" 20 giorni dopo l'arrivo di Kroto in Texas. In questo articolo, oltre all'assunzione della forma sferoidale dei fullereni, c'erano idee sulla possibilità dell'esistenza di molecole di fullerene endoedrico, cioè molecole che contengono uno o più atomi di un altro elemento. Ulteriori ricerche hanno confermato questa ipotesi.

La distanza tra le molecole in tali cristalli è inferiore alla distanza tra gli atomi nel reticolo del diamante. Inoltre, nelle cellule di entrambi i tipi è presente un fullerene "speciale" che interagisce con il resto attraverso 12-16 legami intermolecolari molto brevi e forti. Tutto ciò determina la straordinaria durezza della fullerite cristallina: è da due a tre volte superiore alla durezza del diamante.

Per la scoperta dei fullereni G. Kroto, R. Smalley e R. Curl hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica.

Il vero boom della ricerca sui fullereni iniziò nel 1990. Ciò è accaduto dopo che l'astrofisico tedesco W. Kretschmer e il ricercatore americano D. Huffman hanno sviluppato una tecnologia per ottenere fullereni in quantità sufficienti. La tecnologia si basa sulla spruzzatura termica di un arco elettrico con elettrodi di grafite e successiva estrazione di fullereni dai prodotti spray utilizzando solventi organici, come benzene, toluene.

La nuova tecnologia ha consentito a numerosi laboratori scientifici di studiare i fullereni non solo in forma molecolare, ma anche allo stato cristallino. Di conseguenza, sono state fatte nuove scoperte. Così, nel 1991, gli scienziati americani hanno scoperto la superconduttività dei cristalli di fullerene drogati con atomi di metallo alcalino, con una temperatura critica compresa tra 18 e 40 gradi Kelvin, a seconda del tipo di metallo alcalino. E fino ad oggi, la ricerca e lo sviluppo nel campo dei fullereni è una delle aree prioritarie della scienza e della tecnologia mondiale. Tale popolarità è associata alle straordinarie proprietà fisico-chimiche dei fullereni, che aprono la possibilità della loro applicazione.

Le molecole di fullerene hanno un'elevata elettronegatività. Sono in grado di attaccare a se stessi fino a sei elettroni liberi. Questo rende i fullereni forti ossidanti. Sono in grado di formare molti nuovi composti chimici con nuove proprietà interessanti. I composti chimici dei fullereni includono anelli di carbonio a sei membri con legami singoli e doppi. Pertanto, possono essere considerati come un analogo tridimensionale dei composti aromatici. I cristalli di fullerene sono semiconduttori con un gap di banda di 1-2 eV. Esibiscono fotoconduttività quando irradiati con luce visibile.

"La gamma di possibili applicazioni tecnologiche dei fullereni è ampia", scrive Ezersky. "Ad esempio, l'uso dei fullereni come additivo all'olio lubrificante riduce significativamente (fino a 10 volte) il coefficiente di attrito delle superfici metalliche e, di conseguenza, aumenta il resistenza all'usura di parti e assiemi Sono in fase di sviluppo anche altre possibilità di applicazione in serie di fullereni, associate in particolare alla realizzazione di un nuovo tipo di batterie ricaricabili che, a differenza delle batterie al litio tradizionalmente utilizzate, non sono soggette a distruzione degli elettrodi.

Particolare attenzione merita il problema dell'uso dei fullereni in medicina e farmacologia. Una delle principali difficoltà che si frappongono a una soluzione di successo di questo problema è associata alla creazione di composti fullerenici solubili in acqua non tossici che potrebbero essere introdotti nel corpo umano e consegnati con il sangue all'organo soggetto ad azione terapeutica. L'idea di creare farmaci antitumorali a base di composti fullerenici endoedrici idrosolubili (molecole di fullerene contenenti uno o più atomi di un elemento) con isotopi radioattivi incorporati all'interno della struttura del fullerene è ampiamente discussa in letteratura. L'introduzione di un tale farmaco nel tessuto consentirà di influenzare selettivamente le cellule colpite dal tumore, impedendone l'ulteriore riproduzione".

Autore: Musskiy SA

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