Propiedades del fullereno

Topología

La topología combinatoria (es decir, átomos de carbono y enlaces entre ellos, ignorando sus posiciones y distancias) de capa cerrada los fullerenos con superficies medias esféricas simples (orientables, género cero) se pueden expresar como un poliedro A convexo; más precisamente, su esqueleto unidimensional, formado por sus vértices y aristas. Un gráfico de Schlegel es la proyección del esqueleto sobre una cara del poliedro a través de un punto fuera de la cara; de modo que todos los demás vértices se proyecten en la cara. Los gráficos de Schlegel de fullerenos cerrados son planos y 3-regulares (o 'cúbicos'; lo que significa que todos los vértices tienen grado 3). Los fullerenos cerrados con capas esféricas deben tener al menos algunos ciclos pentagonales o heptagonales. Más precisamente, si todas las caras tienen 5 o 6 lados, según la fórmula del poliedro de Euler V−E+F=2 (donde V, E, F son el número de vértices, aristas y caras), debe ser par y debe tener exactamente 12 pentágonos y V/2−10 hexágonos. Existe una restricción similar si el fullereno tiene un ciclo heptagonal (siete átomos). Los fullerenos abiertos, como los nanotubos de carbono y el grafeno, pueden estar compuestos enteramente de anillos hexagonales. Teóricamente, los nanotubos largos conectados en ambos extremos para formar láminas cerradas en forma de anillos también podrían consistir enteramente en hexágonos.

Unir

Dado que cada átomo de carbono está unido a sólo tres átomos de carbono adyacentes en lugar de los cuatro habituales, se acostumbra describir estos enlaces como una mezcla de enlaces covalentes simples y dobles. La carbohibridación en C60 se ha informado como sp2.01. El estado de enlace se puede analizar mediante espectroscopia Raman, espectroscopia infrarroja y espectroscopia de fotoelectrones de rayos X.

Paquete

Átomos, iones, grupos o moléculas pequeñas adicionales pueden quedar atrapados dentro del fullereno, formando clatratos llamados fullerenos intercalados. Un ejemplo inusual es el fullereno 84 con forma de huevo, que viola la regla aislada del Pentágono, y se encontró evidencia de impactos de meteoritos del final del Pérmico analizando gases nobles atrapados en los fullerenos.

Investigación

A principios de la década de 2000, las propiedades químicas y físicas de los fullerenos fueron un tema candente en la investigación y el desarrollo. Popular Science analiza el posible uso de fullerenos (grafeno) en armaduras. La resistencia al calor y la superconductividad son algunas de las propiedades más estudiadas en el campo de la nanotecnología. Se han realizado muchos cálculos utilizando métodos cuánticos ab initio aplicados a fullerenos. Los espectros IR, Raman y UV se pueden obtener mediante métodos DFT y TD-DFT. Los resultados de este cálculo se pueden comparar con resultados experimentales. Los fullerenos son reactivos inusuales en muchas reacciones orgánicas, como la reacción de Binger descubierta en 1993.

Aromaticidad

Los investigadores han podido aumentar la reactividad de los fullerenos uniendo grupos reactivos a sus superficies. El fullereno de Buckminster no exhibe 'superaromaticidad': es decir, los electrones en los anillos hexagonales no están deslocalizados a través de la molécula. Los fullerenos esféricos de n átomos de carbono tienen n electrones de enlace pi y pueden deslocalizarse libremente. Estos deberían intentar deslocalizarse en toda la molécula. La mecánica cuántica de esta disposición debería ser como una capa de la conocida estructura mecánica cuántica de un solo átomo, con una capa llena estable n = 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, 128, etc. (es decir, cuadrados dos veces perfectos), pero esta serie no incluye 60. La regla de aromaticidad esférica 2(N + 1)2 (N entero) es un análogo tridimensional de la regla de Hückel. 10+ cationes satisfacen esta regla y deberían ser aromáticos. Se ha demostrado que este es el caso mediante modelos químicos cuánticos, que muestran la presencia de fuertes corrientes de bolas diamagnéticas en los cationes.  Como resultado, C. 60 en agua tiende a absorber dos electrones más y convertirse en un anión  . para formar uniones metálicas sueltas.