- Učlanjen(a)
- 30.07.2009
- Poruka
- 5.276
Uvod u hemiju fulerena - C60
FULEREN C60
Svojom izuzetnom lepotom i neverovatnom čudesnošću arhitekture molekula C60 , izuzetna reaktivnost ovog sfernog molekula i mogućnost formiranja različitih fulerenskih adukata, otvaraju novo istraživačko polje u mnogim istraživačkim naukama, “ERU FULERENA”.
Pored dijamanta i grafita , fuleren C60 predstavlja treću alotropsku modifikaciju ugljenika (C). Molekul C60 je kao što smo već rekli nova forma ugljenika , koji je laserski sintetizovan 1985 god. fizičko-hemijskim metodama, kao kristal, proizveden 1990 god. i prvi put viđen sa internom strukturom pomoću STM 1992 god.
C60 je sferni molekul u kome je svih 60 ugljenikovih atoma sp2 hibridizovani, ekvivalentni i raspoređeni u konstantnih 12 pentagona i 20 heksagona. Ime fuleren dobio je po poznatom američkom arhitekti Backminster Fuller-u, jer je Fuller-ova geodezijska kupola napravljena još 1967god. u Montrealu poslužila naučnicima, dobitnicima Nobalove nagrade, da odgonetnu strukturu ovoga molekula.
Molekul C60 je najznačajniji predstavnik fulerena, jedne čitave familije ugljenikovih struktura, koje mogu biti organizovane u vidu nanotuba, “ oniona ” i kapsula.
Pručavanje fulerena C60 , ugljeničnih nanotubula, egzo- i endohedralnih kompleksa sfernih derivata fulerena i derivata deterdžentskog tipa, vrtoglavom i sumanutom brzinom razvija još uvek oblast fizike i hemije sfernih fulerenskih sistema , predstavlja novo neistraženo, intrigantno polje za istraživački rad.
Mogućnost da se fulereni mogu dobiti u makroskopskim količinama otvorila je neočekivano velike mogućnosti za razvoj ¨ trodimenzionalne hemije¨ sfernih, kavezastih, polifukcionalizovanih ugljenikovih molekula.
Molekul C60, kao i neka njegova jedinjenja detektovani su u sastavu međuzvezdane prašine. C60 je takođe nađen u meteoritima starim oko 2 milijarde godina, a nalazišta C60 su otkrivena u SAD i Rusiji.
Strukturno i energetski molekul C60 liči na jedan džinovski atom. Energija C60 se sastoji od energije elektrona, vibracione, translacione i rotacione energije.
Jedan pisac naučne fantastike je jednom davno napisao da će se ljudi nekim nevidljivim liftovima podizati u prostranstva iznad Zemaljske kugle. Ta njegova predskazanja o nevidljivim liftovima danas bi mogli da povežemo sa neverovatnim otkrićem fulerena C60, jer se pojavom molekula C60 dogodilo nešto što je u nauci poznato kao Kopernikov obrt: nauka i tehnologija na bazi ose petog reda( kristalizacija oko tačke) je rođena.
FULEREN C60
ISTORIAT OTKRIĆA:
– Molekul C60 otkriven je zahvaljujući igri naučne slučajnosti, mada je u prirodi odvajkada postojao. Od 1973 god. dve grupe naučnika jedna u SAD, a druga u Engleskoj tragale su za odgovorima na pitanje kako nastaju male partikule koje stvaraju oblake prašine u kosmičkim prostranstvima. Radeći na tim problemima oni su u labaratorijama slučajno stvorili molekul C60. 1978 god. je pronađeno da dve strukture, mikrotubule i klatrin, imaju veoma važnu ulogu u informacionim procesima ćelije. Kasnije se pokazalo (1985) da klatrin ima istu simetriju kao i molekul C60. familija klatrina i fulerena je potpuno podudarna( obe klase molekula prave mrežu od 12 pentagona i različitim brojem heksagona po površini sfere), dok su mikrotubule podudarne sa fulerenskim nanotubama. Za dobijanje gramskih količina fulerena poslužio je uređaj koji se sastojao iz dve grafitne šipke, povezane u strujno kolo koje su se nalazile u zatvorenoj posudi sa atmosferom helijuma. Pod određenim pritiskom helijuma, jačinom i naponom struje na mestu kontakta dve grafitne šipke dolazilo je do isparavanja ugljenika što je uslovilo za dobijanje gramskih količina molekula C60.
STRUKTURNE KARAKTERISTIKE
Do sada smo znali za kristale kao najuređenije strukture ( translaciona simetrija ), a sada se pojavljuje nova forma materije ( kristalizacija oko tačke ) koja to prevazilazi. Da bi se stvorila takva struktura morala se formirati osa petog reda, koje u kristalografiji nema, ovaj molekul je poseduje. Pored ose petog reda, koja se odnosi na pentagone, on ima osu trećeg reda –heksagon i osu drugog reda –dupla veza, a takođe i inverznu tačku simetrije.
Kao individualni entitet, molekul C60, čvršći je od dijamanta, međutim kada kristališe, kristalna rešetka mu je meka skoro kao kod grafita. Simetrija molekula je ikosahedronska dok su kristali molekula C60 centralno kubični. Pri normalnim uslovima pritiska i temperature u unutrašnjosti molekula C60 je vakum, dok je okolo “” elektronski oblak, što je posledica prostornog popunjavanja orbitala. Strukturne transformacije fulerena su moguće na četri nivoa:
1. Kovalentno vezivanje atoma ili molekula za fulerenski ugljenični sferoidni skelet.
2. Zamena ugljenikovih atoma sa površine sfere drugim atomima pri čemu se formiraju heterofulereni sa B, Si, N.
3. Stvaranje endohedralnih kompleksa ( u vakumski deo sfere fulerena su zarobljeni elementi, joni ili radioaktivni izotopi)
4. Formiranje međumolekularnih interkalatnih veza (superhemijske veze)
Fuleren C60 podleže različitim tipovima hemijskih reakcija, ali su najbrojnije reakcije adicije, kao i reakcije inkorporacije korbenske jedinice na veze C60, što omogućava nastajanje metanofulerena ili fuleroida.
ENERGETSKE KARAKTERISTIKE
Sa strukturalnog i energetskog aspekta molekul C60 liči na jedan veliki atom . Molekul C60 može se vezivati sa drugim molekulima na dva načina: jakim kovalentnim vezama i slabim “” vezama.Ove slabe veze omogućavaju veoma brze reakcije i otvaraju novu sferoidnu hemiju budućnosti sličnu onoj koju imamo u biohemiji enzima. Ove slabe veze se ostvaruju prostornom orjentacijom elektrona, što je novo u nauci, jer se orjentacija elektrona do sada posmatrala samo u ravni.
Generalno posmatrano zakoni energetskog stanja molekula C60 određeni su njegovom simetrijom koja proizilazi iz njegove strukture tj. zakonima osa drugog, trećeg, petog reda ( zlatnim presekom ) i centrom inverzije.
TEHNOLOGIJA FULERENA
PROIZVODNJA:
Molekularni mehanizam nastajanja tj. sinteze ugljenika u klastere u plazmi se i pored postignutih saznanja još uvek smatra centralnom enigmom u nauci fulerena. Proces proizvodnje za sada je empirijskog karaktera, zasnovan na slučajnosti kako otkrića molekula C60 tako i metode za njegovu proizvodnju.
Prinos fulerena u procesu proizvodnje pomoću električnog luka je 10-15% pa se danas traga za novim ekonomičnijim načinom proizvodnje. Smatra se da će proizvodnja u pulsirajućem magnetnom polju omogućiti prinos oko 30%, što bi u mnogome pojeftinilo cenu koštanja ovog materijala.
PRIMENA FULERENA U ELEKTROHEMIJI:
Molekul C60 je izuzetno stabilan i otporan na spoljno dejstvo. Međutim elektronski oblak mu omogućava da prima i daje elektrone. Teorijski je moguće, pomoću ovog molekula na prostoru od oko 1 nano-metra kubnog uskladištiti do 60 atoma vodonika.
Hidrogenizacija molekula C60- nalazi se među prvim hemijskim modifikacijama fulerena. Sastoji se u otvaranju nekih ili svih 30 dvostrukih C-C veza od kojih se formiraju C-H veze pri određenim uslovima. Hemijska struktura C60H2n se još nazivaju i hidofulereni ili hidridi fulerena.
Zahvaljujući posebnuj molekularnoj strukturi, fulereni su jedina forma ugljenika kod koje je proces hidrogenizacije i proces dehidrogenizacije reverzibilan, što je veoma bitna karakteristika za njihovu primenu.
Razvijeno je više postupaka reverzibilne hidrogenizacije i dehidrogenizacije polihidrofulerena:
– Birch-Huckel-ova redukcija
– Katalitička hidrogenizacija
– Elektrohemijska hidrogenizacija
– Bombardovanje fulerena vodonikom
MOGUĆE PRIMENE MOLEKULA C60
Molekul C60 je veoma inteligentan materijal, ima visok stepen skladištenja informacija, visok nivo molekulske rekognacije, mogućnost prepoznavanja molekulskih vrsta kao i različitih koncentracionih i energetskih gradijenata itd.
Na osnovu fizičkih, hemijskih i elektro-optičkih osobina molekula C60 moguće je sagledati njegove moguće primene u različitim oblastima tehnike i medicine.
Zato što je veoma tvrd molekul C60, može poslužiti kao materijal za fino brušenje, a od njega se mogu napraviti mikroskopski mali kuglični ležajevi za superbrze motore. Zbog nasumičnog rotiranja, elektromagnetno polje molekula C60 je malog intenziteta ali je tehnološkim rešenjima moguće kontrolisati smer rotacije i na taj način dobiti usmereno elektromagnetno polje daleko većeg intenziteta. Stvaranjem makroskopskog materijala od tako modifikovanih molekula, dobili bi se veoma jaki elektro magneti i magneti superprovodnici od vrlo male količine materijala. Dalje predlaže se da se kao način lečenja tumora primeni metoda kojom bi se u kavez ugljeničnih molekularnih klastera ubacili radioaktivni atomi. Pri tome bi ugljenična barijera mogla pomoći da se održi celovitost radioizotopa posle njihovog unošenja u organizam. Preliminarna biomedicinska istraživanja ukazuju da je moguća primena ovog molekula kako u lečenju SIDE tako i lečenju kancera. Zbog svog sfernog oblika, strukturnih svojstava i zakona vibraciono-rotacione energije koji se baziraju na zakonu zlatnog preseka, moguće je od ovog materijala napraviti visokoparalelne mreže na molekularnom nivou koje bi imale svojstva biomolekularnih ćelijskih mreža. Na taj način bi bilo moguće razviti posebnu vrstu nanotehnologije kojom bi se razvile buduće molekularne informacione mašine slične biomolekulima. Mogućnosti ovog prelepog i nadasve inteligentnog molekula su bezbrojne ali za sada toliko o ovome čarobnom molekulu.
FULEREN C60
Svojom izuzetnom lepotom i neverovatnom čudesnošću arhitekture molekula C60 , izuzetna reaktivnost ovog sfernog molekula i mogućnost formiranja različitih fulerenskih adukata, otvaraju novo istraživačko polje u mnogim istraživačkim naukama, “ERU FULERENA”.
Pored dijamanta i grafita , fuleren C60 predstavlja treću alotropsku modifikaciju ugljenika (C). Molekul C60 je kao što smo već rekli nova forma ugljenika , koji je laserski sintetizovan 1985 god. fizičko-hemijskim metodama, kao kristal, proizveden 1990 god. i prvi put viđen sa internom strukturom pomoću STM 1992 god.
C60 je sferni molekul u kome je svih 60 ugljenikovih atoma sp2 hibridizovani, ekvivalentni i raspoređeni u konstantnih 12 pentagona i 20 heksagona. Ime fuleren dobio je po poznatom američkom arhitekti Backminster Fuller-u, jer je Fuller-ova geodezijska kupola napravljena još 1967god. u Montrealu poslužila naučnicima, dobitnicima Nobalove nagrade, da odgonetnu strukturu ovoga molekula.
Molekul C60 je najznačajniji predstavnik fulerena, jedne čitave familije ugljenikovih struktura, koje mogu biti organizovane u vidu nanotuba, “ oniona ” i kapsula.
Pručavanje fulerena C60 , ugljeničnih nanotubula, egzo- i endohedralnih kompleksa sfernih derivata fulerena i derivata deterdžentskog tipa, vrtoglavom i sumanutom brzinom razvija još uvek oblast fizike i hemije sfernih fulerenskih sistema , predstavlja novo neistraženo, intrigantno polje za istraživački rad.
Mogućnost da se fulereni mogu dobiti u makroskopskim količinama otvorila je neočekivano velike mogućnosti za razvoj ¨ trodimenzionalne hemije¨ sfernih, kavezastih, polifukcionalizovanih ugljenikovih molekula.
Molekul C60, kao i neka njegova jedinjenja detektovani su u sastavu međuzvezdane prašine. C60 je takođe nađen u meteoritima starim oko 2 milijarde godina, a nalazišta C60 su otkrivena u SAD i Rusiji.
Strukturno i energetski molekul C60 liči na jedan džinovski atom. Energija C60 se sastoji od energije elektrona, vibracione, translacione i rotacione energije.
Jedan pisac naučne fantastike je jednom davno napisao da će se ljudi nekim nevidljivim liftovima podizati u prostranstva iznad Zemaljske kugle. Ta njegova predskazanja o nevidljivim liftovima danas bi mogli da povežemo sa neverovatnim otkrićem fulerena C60, jer se pojavom molekula C60 dogodilo nešto što je u nauci poznato kao Kopernikov obrt: nauka i tehnologija na bazi ose petog reda( kristalizacija oko tačke) je rođena.
FULEREN C60
ISTORIAT OTKRIĆA:
– Molekul C60 otkriven je zahvaljujući igri naučne slučajnosti, mada je u prirodi odvajkada postojao. Od 1973 god. dve grupe naučnika jedna u SAD, a druga u Engleskoj tragale su za odgovorima na pitanje kako nastaju male partikule koje stvaraju oblake prašine u kosmičkim prostranstvima. Radeći na tim problemima oni su u labaratorijama slučajno stvorili molekul C60. 1978 god. je pronađeno da dve strukture, mikrotubule i klatrin, imaju veoma važnu ulogu u informacionim procesima ćelije. Kasnije se pokazalo (1985) da klatrin ima istu simetriju kao i molekul C60. familija klatrina i fulerena je potpuno podudarna( obe klase molekula prave mrežu od 12 pentagona i različitim brojem heksagona po površini sfere), dok su mikrotubule podudarne sa fulerenskim nanotubama. Za dobijanje gramskih količina fulerena poslužio je uređaj koji se sastojao iz dve grafitne šipke, povezane u strujno kolo koje su se nalazile u zatvorenoj posudi sa atmosferom helijuma. Pod određenim pritiskom helijuma, jačinom i naponom struje na mestu kontakta dve grafitne šipke dolazilo je do isparavanja ugljenika što je uslovilo za dobijanje gramskih količina molekula C60.
STRUKTURNE KARAKTERISTIKE
Do sada smo znali za kristale kao najuređenije strukture ( translaciona simetrija ), a sada se pojavljuje nova forma materije ( kristalizacija oko tačke ) koja to prevazilazi. Da bi se stvorila takva struktura morala se formirati osa petog reda, koje u kristalografiji nema, ovaj molekul je poseduje. Pored ose petog reda, koja se odnosi na pentagone, on ima osu trećeg reda –heksagon i osu drugog reda –dupla veza, a takođe i inverznu tačku simetrije.
Kao individualni entitet, molekul C60, čvršći je od dijamanta, međutim kada kristališe, kristalna rešetka mu je meka skoro kao kod grafita. Simetrija molekula je ikosahedronska dok su kristali molekula C60 centralno kubični. Pri normalnim uslovima pritiska i temperature u unutrašnjosti molekula C60 je vakum, dok je okolo “” elektronski oblak, što je posledica prostornog popunjavanja orbitala. Strukturne transformacije fulerena su moguće na četri nivoa:
1. Kovalentno vezivanje atoma ili molekula za fulerenski ugljenični sferoidni skelet.
2. Zamena ugljenikovih atoma sa površine sfere drugim atomima pri čemu se formiraju heterofulereni sa B, Si, N.
3. Stvaranje endohedralnih kompleksa ( u vakumski deo sfere fulerena su zarobljeni elementi, joni ili radioaktivni izotopi)
4. Formiranje međumolekularnih interkalatnih veza (superhemijske veze)
Fuleren C60 podleže različitim tipovima hemijskih reakcija, ali su najbrojnije reakcije adicije, kao i reakcije inkorporacije korbenske jedinice na veze C60, što omogućava nastajanje metanofulerena ili fuleroida.
ENERGETSKE KARAKTERISTIKE
Sa strukturalnog i energetskog aspekta molekul C60 liči na jedan veliki atom . Molekul C60 može se vezivati sa drugim molekulima na dva načina: jakim kovalentnim vezama i slabim “” vezama.Ove slabe veze omogućavaju veoma brze reakcije i otvaraju novu sferoidnu hemiju budućnosti sličnu onoj koju imamo u biohemiji enzima. Ove slabe veze se ostvaruju prostornom orjentacijom elektrona, što je novo u nauci, jer se orjentacija elektrona do sada posmatrala samo u ravni.
Generalno posmatrano zakoni energetskog stanja molekula C60 određeni su njegovom simetrijom koja proizilazi iz njegove strukture tj. zakonima osa drugog, trećeg, petog reda ( zlatnim presekom ) i centrom inverzije.
TEHNOLOGIJA FULERENA
PROIZVODNJA:
Molekularni mehanizam nastajanja tj. sinteze ugljenika u klastere u plazmi se i pored postignutih saznanja još uvek smatra centralnom enigmom u nauci fulerena. Proces proizvodnje za sada je empirijskog karaktera, zasnovan na slučajnosti kako otkrića molekula C60 tako i metode za njegovu proizvodnju.
Prinos fulerena u procesu proizvodnje pomoću električnog luka je 10-15% pa se danas traga za novim ekonomičnijim načinom proizvodnje. Smatra se da će proizvodnja u pulsirajućem magnetnom polju omogućiti prinos oko 30%, što bi u mnogome pojeftinilo cenu koštanja ovog materijala.
PRIMENA FULERENA U ELEKTROHEMIJI:
Molekul C60 je izuzetno stabilan i otporan na spoljno dejstvo. Međutim elektronski oblak mu omogućava da prima i daje elektrone. Teorijski je moguće, pomoću ovog molekula na prostoru od oko 1 nano-metra kubnog uskladištiti do 60 atoma vodonika.
Hidrogenizacija molekula C60- nalazi se među prvim hemijskim modifikacijama fulerena. Sastoji se u otvaranju nekih ili svih 30 dvostrukih C-C veza od kojih se formiraju C-H veze pri određenim uslovima. Hemijska struktura C60H2n se još nazivaju i hidofulereni ili hidridi fulerena.
Zahvaljujući posebnuj molekularnoj strukturi, fulereni su jedina forma ugljenika kod koje je proces hidrogenizacije i proces dehidrogenizacije reverzibilan, što je veoma bitna karakteristika za njihovu primenu.
Razvijeno je više postupaka reverzibilne hidrogenizacije i dehidrogenizacije polihidrofulerena:
– Birch-Huckel-ova redukcija
– Katalitička hidrogenizacija
– Elektrohemijska hidrogenizacija
– Bombardovanje fulerena vodonikom
MOGUĆE PRIMENE MOLEKULA C60
Molekul C60 je veoma inteligentan materijal, ima visok stepen skladištenja informacija, visok nivo molekulske rekognacije, mogućnost prepoznavanja molekulskih vrsta kao i različitih koncentracionih i energetskih gradijenata itd.
Na osnovu fizičkih, hemijskih i elektro-optičkih osobina molekula C60 moguće je sagledati njegove moguće primene u različitim oblastima tehnike i medicine.
Zato što je veoma tvrd molekul C60, može poslužiti kao materijal za fino brušenje, a od njega se mogu napraviti mikroskopski mali kuglični ležajevi za superbrze motore. Zbog nasumičnog rotiranja, elektromagnetno polje molekula C60 je malog intenziteta ali je tehnološkim rešenjima moguće kontrolisati smer rotacije i na taj način dobiti usmereno elektromagnetno polje daleko većeg intenziteta. Stvaranjem makroskopskog materijala od tako modifikovanih molekula, dobili bi se veoma jaki elektro magneti i magneti superprovodnici od vrlo male količine materijala. Dalje predlaže se da se kao način lečenja tumora primeni metoda kojom bi se u kavez ugljeničnih molekularnih klastera ubacili radioaktivni atomi. Pri tome bi ugljenična barijera mogla pomoći da se održi celovitost radioizotopa posle njihovog unošenja u organizam. Preliminarna biomedicinska istraživanja ukazuju da je moguća primena ovog molekula kako u lečenju SIDE tako i lečenju kancera. Zbog svog sfernog oblika, strukturnih svojstava i zakona vibraciono-rotacione energije koji se baziraju na zakonu zlatnog preseka, moguće je od ovog materijala napraviti visokoparalelne mreže na molekularnom nivou koje bi imale svojstva biomolekularnih ćelijskih mreža. Na taj način bi bilo moguće razviti posebnu vrstu nanotehnologije kojom bi se razvile buduće molekularne informacione mašine slične biomolekulima. Mogućnosti ovog prelepog i nadasve inteligentnog molekula su bezbrojne ali za sada toliko o ovome čarobnom molekulu.