Fulereny (ang. fulleren od nazwiska R. Buckminster Fullera - patrz końcówka artykułu) to cząsteczki składające się z kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla, tworzące zamkniętą, regularną, pustą w środku kulę, elipsoidę lub rurkę. Są kolejną odmianą alotropową węgla.

Budowa fulerenów

Fuleren -
Fuleren -
Powierzchnia fulerenów składa się układu sprzężonych pierścieni składających się z pięciu i sześciu atomów węgla. Najpopularniejszy fuleren, zawierający 60 atomów węgla (tzw. C60) ma kształt dwudziestościanu ściętego, czyli wygląda dokładnie tak jak piłka futbolowa. C70, natomiast, posiada dodatkowy pierścień atomów węgla.
Kolejnymi znanymi fulerenami są C120 i C140. Oprócz tego na bazie fulerenów można otrzymywać nanorurki, które są długimi walcami uzyskane ze zwinięcia sześciokątnej, pozbawionej defektów płaszczyzny grafitowej, które można z obu stron domknąć połówkami C60. Najkrótszą nanorurką, z formalnego punktu widzenia, jest C70, najdłuższe zaś, które udało się otrzymać do końca 1998 roku miały długość dochodzącą do dziesiątych części milimetra.

Własności i otrzymywanie

Fulereny występują w niewielkich ilościach w sadzy węglowej oraz w przestrzeni kosmicznej w otoczeniu wygasłych gwiazd.
Na początku wydawało się, że są one tylko kolejną "ciekawostką przyrodniczą", w toku badań okazało się jednak, że mogą znaleźć wiele praktycznych zastosowań. Można je przyłączać do polimerów, uzyskując w ten sposób środki smarujące i tworzywa o unikalnych własnościach elektrooptycznych. Można je funkcjonalizować na powierzchni i łączyć razem, otrzymując układy katalityczne o bardzo rozwiniętej powierzchni. Można zamykać wewnątrz fulerenów atomy pierwiastków (dotychczas udało się zamknąć praktycznie wszystkie pierwiastki z układu Mendelejewa oraz mniejsze cząsteczki). Fulereny otrzymuje się, i do dzisiaj jest to najbardziej popularna metoda, poprzez bombardowanie promieniem laserowym obracającej się tarczy grafitowej w atmosferze helu. Ciśnienie i temperatura gazu odgrywają w tym procesie znaczącą rolę. W wyniku tego procesu otrzymujemy tzw. sadzę fulerenową, będącą mieszanką wielu fulerenów. W celu oczyszczenia i rozdzielenia stosuje sie wieloetapową ekstrakcję, najczęściej z benzenu oraz toluenu.
Fulereny należą do związków trudno rozpuszczalnych. Nie rozpuszczają się w polarnych rozpuszczalnikach praktycznie wcale. Najlepiej (choć też nie za dobrze) rozpuszczają się w rozpuszczalnikach aromatycznych, takich jak benzen lub toluen. Tworzą się wtedy kolorowe roztwory. Roztwór C60 w benzenie ma barwę rubinową, zaś C70 - zieloną. Własności chemiczne fulerenów są zbliżone do własności węglowodorów aromatycznych, chociaż są one wyjątkowo stabilne, więc typowe reakcje substytucji aromatycznej przebiegają powoli i opornie.

Historia odkrycia fulerenów

Fulereny zostały odkryte dość przypadkowo. Za inicjatora tego odkrycia uważa się Harolda Kroto, z Uniwersytetu Sussex, z południowej Anglii, który badając w ramach swojej pracy doktorskiej, chemię przemian związków węgla zachodzących w okolicach wygasłych gwiazd metodami spektroskopowymi, odkrył charakterystyczne wąskie linie spektralne, które odpowiadały aromatycznym związkom węgla. W tym samym mniej więcej czasie zespół naukowy z Uniwersytetu Rice w Dallas, Teksas, USA, w skład którego wchodzili James Heath, Sean O'Brien, Robert Curl i Richard Smalley, opracowali zestaw do syntezy związków organicznych w wyniku naświetlania promieniem lasera obracajacej się tarczy grafitowej. Otrzymali 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. Nasuneło to myśl by wykorzystać to urządzenie do syntezy pochodnych węgla.
Harlod Kroto dołączył do tego zespołu w 1985 roku w ramach stażu podoktorskiego. Wspólnie z Richardem Smalley'em podjęli się badań na otrzymaniem związków węgal o dużej masie cząsteczkowej. Juz w pierwszy dzień odkryto tajemniczy związek o masie cząsteczkowej 720 d, 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 ramanowskim, ściśle odpowiadającą widmu związku uzyskanego przez Harolda Kroto i zespołu z Uniwersytetu Rice.
Za odkrycie fulerenów zespół z Uniwersytetu Rice i Harold Kroto w 1996 roku otrzymali Nagrodę Nobla z dziedziny chemii. Harold Kroto kontynował 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 wodoru, która otworzyła drogę do praktycznego zastosowania tych związków, lecz nie zostali uwzględnieni w nagrodzie Nobla.
Nazwa "fuleren" pochodzi od amerykańskiego architekta R. Buckminster Fullera, który wymyślił pokrycia hal w postaci tzw. kopuł geodezyjnych, opartych o kratownice pokryte płytami w kształcie wielokątów foremnych. Zgodnie z opowieściami Harolda Kroto, widok kopuły geodezyjnej skonstruowanej z pięcio- i szcześciokątów, która była widoczna z okna gabinetu Richard Smalley zainspirowała ich obu do wspólnego skonstruowania pierwszego modelu fulerenu C60. Następnie, inni członowie zespołu Smalleya, zaczęli konstruować podobne modele kolejnych fulerenów sferycznych, a także zauważyli, że można by też na ich bazie konstruować rurki.
Na cześć konstruktora kopuły w Dallas, od której zaczęła się cała historia, zaczęli oni między sobą nazwać w żartach tego rodzaju związki "Bucky balls" (czyli w wolnym tłumaczeniu "jaja 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.
Publikacja wraz ze zdjęciami jest udostępniona w Encyklopedii "Zgapedia" części portalu zgapa.pl. Treść objęta jest licencją GNU FDL Wolnej Dokumentacji w wersji 1.3 lub dowolnej pózniejszej opublikowanej przez Free Software Foundation i została ona opracowana na podstawie Wikipedii, tutaj możesz znaleźć artykuł źródłowy oraz autorów. Warunki użytkowania Encyklopedii znajdziesz na tej stronie.
Prezentowane filmy poczhodzą z serwisu YouTube, portal zgapa.pl nie jest ich autorem i nie ponosi odpowiedzialności za ich treści.