الفوليرين وأنواعه

الفوليرين هي متآصلات للكربون تتكون جزيئاتها من ذرات الكربون المرتبطة بروابط مفردة ومزدوجة لتشكل شبكة مغلقة أو مغلقة جزئيًا مع حلقات مدمجة من خمس إلى سبع ذرات. يمكن أن تكون الجزيئات مجالات مجوفة، أو إهليلجية، أو أنابيب، أو العديد من الأشكال والأحجام الأخرى. الجرافين (طبقات ذرية معزولة من الجرافيت) هو شبكة مستوية من حلقات سداسية منتظمة ويمكن اعتباره عضوًا متطرفًا في هذه العائلة. يتم تمثيل الفوليرينات ذات البنية الشبكية المغلقة بشكل غير رسمي من خلال صيغتها التجريبية Cn، وعادة ما تكون مكتوبة Cn، حيث n هو عدد ذرات الكربون. ومع ذلك، بالنسبة لقيم معينة من n، قد يوجد أكثر من أيزومر واحد.

تم تسمية العائلة على اسم العضو الأكثر شهرة، بكمنسترفوليرين (C60)، والذي سمي بدوره على اسم بكمينسترفولير. الفوليرينات المحظورة، وخاصة C60، تُعرف أيضًا بشكل غير رسمي باسم كرات الباكي بسبب تشابهها مع الكرة القياسية لاتحاد كرة القدم ('كرة القدم'). تسمى الفوليرينات المغلقة المتداخلة بصل بوكي. وتعرف الفوليرينات الأسطوانية أيضًا باسم أنابيب الكربون النانوية أو أنابيب بوكي. وتسمى الأشكال الصلبة السائبة من الفوليرين النقي أو المختلط بالفوليرين.

تم التنبؤ بالفوليرينات لبعض الوقت، لكن لم يتم اكتشافها في الطبيعة وفي الفضاء الخارجي حتى تم تصنيعها عرضيًا في عام 1985. أدى اكتشاف الفوليرين إلى زيادة كبيرة في عدد متآصلات الكربون المعروفة، والتي كانت تقتصر في السابق على الجرافيت والماس والكربون غير المتبلور مثل السخام والفحم. وقد كانت موضوع بحث مكثف، سواء في الكيمياء أو في التطبيقات التقنية، وخاصة في مجالات علم المواد والإلكترونيات وتكنولوجيا النانو.

أنواع

هناك عائلتان رئيسيتان من الفوليرين لهما خصائص وتطبيقات متميزة: كرات الباكي المغلقة وأنابيب الكربون النانوية الأسطوانية المفتوحة. ومع ذلك، توجد هياكل هجينة بين هاتين الفئتين، مثل أنابيب براعم الكربون النانوية المغطاة بشبكة نصف كروية - أو 'براعم بوكي' أكبر.

بكمينسترفوليرين

بكمنسترفوليرين هو أصغر جزيء فوليرين، يحتوي على حلقات خماسية وسداسية، حيث لا يوجد خماسيان يشتركان في الحافة (والتي يمكن أن تكون غير مستقرة، مثل البنتادين). وهو أيضًا الأكثر شيوعًا من حيث التواجد الطبيعي، حيث يمكن العثور عليه غالبًا في السخام.

الصيغة التجريبية للبكمينسترفوليرين هي C

60، هيكله عبارة عن عشروني الوجوه مبتوراً، يشبه كرة القدم الموحدة المكونة من عشرين شكلاً سداسياً واثني عشر شكلاً خماسياً، كل مضلع له ذرة كربون في رأسه ولكل مضلع حافة يوجد مفتاح. يبلغ قطر فان دير فالس لجزيء بكمنستر فوليرين حوالي 1.1 نانومتر. ويبلغ القطر الأساسي لجزيء بكمنستر فوليرين حوالي 0.71 نانومتر. تحتوي جزيئات البكمينسترفوليرين على طولين من الروابط. ويمكن اعتبار الرابطة الحلقية 6:6 (بين الشكلين السداسيين) 'رابطة مزدوجة' وهي أقصر من الرابطة الحلقية 6:5 (بين الشكل السداسي والخماسي). متوسط ​​طول الرابطة هو 1.4 أنجستروم.

الفوليرينات الأخرى

فوليرين آخر شائع إلى حد ما له الصيغة التجريبية C 70. ولكن عادة ما يتم الحصول على الفوليرين الذي يحتوي على 72، 76، 84 أو حتى ما يصل إلى 100 ذرة كربون. أصغر فوليرين ممكن هو ثنائي السطوح C 20. لا يوجد فوليرين ذو 22 رأسًا. يزداد عدد الفوليرين C2n المختلف بـ n = 12، 13، 14، بما يتناسب تقريبًا مع n9 (التسلسل A007894 في OEIS). على سبيل المثال، هناك 1812 فوليرين غير متماثل C 60. لاحظ أنه يوجد شكل واحد فقط من C 60، وهو بوكمينسترفوليرين، بدون زوج من الخماسيات المتجاورة (أصغر مثل هذا الفوليرين). ولتوضيح النمو بشكل أكبر، هناك 214,127,713 فوليرين غير متماثل C 200، منها 15,655,672 ليس لها أضلاع خماسية مجاورة. تم نشر الهياكل المحسنة للعديد من أيزومرات الفوليرين وإدراجها على الإنترنت.

تحتوي الفوليرينات المتغايرة على ذرات غير متجانسة تحل محل الكربون في هياكل القفص أو الأنابيب. تم اكتشافها في عام 1993 وهي توسع بشكل كبير فئة الفوليرين بأكملها ويمكن أن يكون لها روابط متدلية على سطحها. وتشمل الأمثلة البارزة مشتقات البورون والنيتروجين (الأزافوليرين) والأكسجين والفوسفور.

أنابيب الكربون النانوية

أنابيب الكربون النانوية عبارة عن فوليرينات أسطوانية. يبلغ عرض أنابيب الكربون هذه بضعة نانومترات فقط، ولكن يمكن أن يختلف طولها من أقل من ميكرون إلى عدة مليمترات. وعادةً ما تكون ذات نهايات مغلقة، ولكن يمكن أيضًا أن تكون مفتوحة. وهناك أيضًا حالات حيث يقل قطر الأنبوب قبل الإغلاق. ويؤدي تركيبها الجزيئي الفريد إلى خصائص مجهرية غير عادية، بما في ذلك قوة الشد العالية، والتوصيل الكهربائي العالي، والليونة العالية، والتوصيل الحراري العالي، والخمول الكيميائي النسبي. (لأنها أسطوانية و'مستوية' أي أنها لا تحتوي على ذرات 'مكشوفة' يمكن استبدالها بسهولة). أحد الاستخدامات المقترحة لأنابيب الكربون النانوية، التي طورها الباحثون في معهد رينسيلار للفنون التطبيقية في عام 2007، هو في البطاريات الورقية. هناك استخدام آخر متوقع للغاية في تكنولوجيا الفضاء وهو إنتاج كابلات الكربون عالية القوة اللازمة للمصاعد الفضائية.