فهرست مطالب
فولرن‌ها؛ آلوتروپ‌های کربن
فولرن آلوتروپ کربن است یعنی مولکول‌های آن از اتم‌های کربن تشکیل و توسط پیوندهای یگانه و دوگانه به هم متصل شده‌اند. این امر منجر به شکل‌گیری یک ساختار قفس‌مانند بسته یا نیمه‌بسته می‌شود. مولکول فولرن می‌تواند یک کره‌ی توخالی، یک بیضی یا دارای سایر اشکال باشد.
ساختار فولرن
فولرن‌ها در شکل طبیعی خود تمایل زیادی به متقارن بودن دارند. ساختار آن ها کاملا شبیه به گرافیت است و از ورقه‌ای از حلقه‌های شش ضلعی متصل تشکیل شده‌اند. با این حال، آن‌ها حلقه‌های پنج ضلعی و گاهی شش‌ضلعی دارند که اجازه نمی‌دهند ورقه مسطح شود. این ساختار مولکولی شگفت‌انگیز، اغلب به‌عنوان گلوله‌های پیچشی و نانولوله بسته شناخته می‌شوند.
شکل 1- مدل گوی و میلع و ساختاری فولرن
تعداد نامحدودی از فولرن‌ها موجودند. آن‌ها می‌توانند C60،C70،C80،C90 باشند که می‌توانند شکل‌های مختلفی به خود بگیرند. این موضوع ، تا حد زیادی به تعداد اتم‌های‌کربن موجود در مولکول بستگی دارد. با این حال، ساختار فولرن ها در درجه اول براساس حلقه‌های پنج‌ضلعی و شش‌ضلعی است که طبق قوانین ساخت ایزومر تشکیل می‌شوند.
شکل 2- تفاوت ساختاری فولرن‌ها متناسب با تعداد کربن‌های موجود در آن‌ها.
ویژگی‌های فولرن‌ها
بیایید نگاهی به برخی از خواص فیزیکی و شیمیایی فولرن بیندازیم:
خواص فیزیکی فولرن
- رفتار و ساختار آن به دما بستگی دارد. با افزایش دما، فولرن به C70 تبدیل می‌شود.
- ساختار فولرن می‌تواند تحت فشارهای مختلف تغییرکند.
- فولرن دارای آنتالپی یونیزاسیون ۷.۶۱ الکترون ولت است.
- تمایل الکترونی آن ۲.۶ تا ۲.۸ الکترون ولت است.
خواص شیمیایی فولرن
- فولرن‌ها پایدارند اما کاملا غیرفعال نیستند.
- در واکنش‌های شیمیایی، فولرن می‌تواند به عنوان یک الکتروفیل (یا الکترون دوست، ماده‌ای است که دارای بار مثبت بوده و تمایل به دریافت الکترون جهت خنثی شدن دارد) عمل‌کند.
- این ماده، به عنوان یک گروه الکترون گیرنده عمل می‌کند و به عنوان یک عامل اکسیدکننده شناخته می‌شود.
- فولرن‌ها هنگامی که با فلزات قلیایی یا قلیایی خاکی ذوب یا متبلور می‌شوند، ویژگی‌های ابررسانایی را به نمایش می‌گذارند.
- فولرن فرومغناطیس است.
- برخی از آن ها ذاتا کایرال هستند.
- این ماده در حلال‌های آلی مانند تولوئن،کلروبنزن، و ۱،۲،۳ – تری کلرو پروپان محلول است.
انواع فولرن
فولرن‌ها بسته به برخی خواص و کاربردهای متمایز در دوخانواده اصلی وجود دارند. این دو خانواده شامل گلوله‌های‌باکی بسته و نانولوله‌های‌کربنی استوانه‌ای باز هستند. با این‌حال،ساختارهای هیبریدی نیز وجود دارند که می‌توانند بین این دو دسته وجود داشته باشند. فولرن ها می‌توانند نانولوله‌های کربنی باشند که اساسا نانولوله‌هایی هستند که توسط شبکه‌های نیم‌کروی یا نانولوله‌های بزرگ‌تر پوشیده شده‌اند.
خوشه های باکی بال
فولرن باکمینستر
فولرن باکمینستر کوچک‌ترین مولکول فولرن است. این مولکول شامل حلقه‌های پنج‌ضلعی و شش‌ضلعی است و هیچ دو پنج‌ضلعی یک لبه نخواهند داشت. باکمینستر- فولرن موجود در فرم C۶۰ از نظر وقوع طبیعی شایع‌ترین است. ساختار باکمینسترولرن یک ایزوساهدرون کوتاه شده شبیه به یک توپ فوتبال است.
بال و زنجیره پیوندی
دراین نوع از فولرن‌ها، دوحلقه عمدتا توسط یک‌زنجیره کربنی به هم متصل می‌شوند. همچنین فولرن‌های دیگری مانند هتروافللرن‌ها نیز وجوددارند که دارای هترواتم‌های جانشین‌کننده‌کربن‌ها در یک قفس یا ساختارهای لوله‌ای‌شکل هستند. سپس متالوافللرن وجود دارد که مولکول آن از یک اتم فلزی به دام افتاده در داخل یک قفس فولرن تشکیل شده‌است.
نانولوله‌های کربنی
این نوع از فولرن دارای لوله‌های استوانه‌ای یا توخالی با ابعاد بسیارکوچک هستند که عمدتا ً چندنانومتر عرض دارند. با این حال، آن‌ها می‌توانند تا چند میلی‌متر طول داشته باشند. برخی از نانولوله‌های کربنی می‌توانند بسته و باز باشند. در نتیجه ساختار مولکولی منحصربه‌فرد آن‌ها منجر به ایجاد خواص ماکروسکوپی مخصوصی در آن‌ها می‌شود. برخی از این خواص عبارتند از: مقاومت کششی، هدایت حرارتی و الکتریکی و شکل‌پذیری بالا .
شکل دیگری از فولرن‌ها نیز موجود است. این نمونه‌ها در قطر کمی بزرگ‌تر از نانولوله‌ها هستند و عموما ً با دیواره‌های ضخامت‌های مختلف یافت می‌شوند .
شکل3-اشکال مختلف کربن
روش‌های مختلفی برای تولید فولرن وجود دارند که اغلب آن‌ها از نظر اقتصادی به صرفه نیستند. یکی از روش‌هایی‌که برای تولید این ماده مورد استفاده قرار می‌گیرد، ارسال جریان الکتریکی با ولتاژ بالا بین دو الکترود گرافیتی در مجاور اتمسفر خنثی است. قوس‌الکتریکی منجر به تبخیرکربن در داخل پلاسما می‌شود و سپس باقیمانده به دوده تبدیل می‌گردد. همچنین دوده می‌تواند توسط لیزر ablation گرافیت یا پیرولیز هیدروکربن‌های‌آروماتیک تولید شود. احتراق،کارآمدترین فرآیندی است که مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در ادامه با استفاده از حلال‌های آلی مناسب فولرن , از دوده استخراج می‌شوند. معمولا مخلوط با کروماتوگرافی جدا می‌شود .
کاربردهای فولرن
- از فولرن باکمینستر و نانولوله‌های‌کربنی به عنوان بلوک‌های ساختمانی برای انواع زیادی از مشتقات ساختارهای بزرگ‌تر استفاده می‌شود.
- فولرن‌ها در زمینه پزشکی به عنوان عوامل ضدمیکروبی غیرفعال‌کننده نور استفاده دارند.
- همچنین در بسیاری از کاربردهای زیست‌پزشکی از جمله: طراحی عوامل کنتراست MRI با عملکرد بالا، عوامل کنتراست تصویربرداری X-ray، فوتودینامیک درمانی و دارورسانی و ژن استفاده می‌گردند.
- در بحث دارورسانی، می توان درون فولرن ها برخی آنزیم‌ها، داروها و هورمون‌های مورد نیاز بدن را قرار داد. به این ترتیب در نانو پزشکی می‌توان از این مواد استفاده نمود.
- از دیگر کاربردهای فولرن‌ها می‌تواند استفاده به عنوان جاذب گازها، استفاده در لوازم آرایشی و روان‌کننده‌ها باشد.
- فیلم‌های بر پایه‌ی C60 برای کاربردهای فتوولتائیک استفاده می‌شوند.
منابع
- https://www.acs.org/education/whatischemistry/landmarks/fullerenes.html
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128035818022992
- https://www.britannica.com/science/fullerene
- https://mathworld.wolfram.com/Fullerene.html
- https://byjus.com/jee/fullerene/
نویسنده:مریم علیدادی
