Fulleren ve çeşitleri

Fullerenler, molekülleri, beş ila yedi atomluk kaynaşmış halkalar ile kapalı veya kısmen kapalı bir ağ oluşturmak üzere tek ve çift bağlarla birleştirilen karbon atomlarından oluşan karbon allotroplarıdır. Moleküller içi boş küreler, elipsoidler, tüpler veya diğer birçok şekil ve boyutta olabilir. Grafen (izole edilmiş atomik grafit katmanları), düzenli altıgen halkalardan oluşan düzlemsel bir ızgaradır ve bu ailenin aşırı bir üyesi olarak görülebilir. Kapalı kafes topolojisine sahip Fullerenler, gayri resmi olarak ampirik formülleri Cn ile temsil edilir; genellikle Cn olarak yazılır; burada n, karbon atomlarının sayısıdır. Bununla birlikte, n'nin belirli değerleri için birden fazla izomer mevcut olabilir.

Aile, adını en ünlü üye olan Buckminsterfullerene'den (C60) almıştır ve bu aile de Buckminsterfuller'den almıştır. Bloke edilmiş fullerenler, özellikle C60, Futbol Birliği'nin standart topuna ('futbol futbolu') benzerliklerinden dolayı gayri resmi olarak buckyballs olarak da bilinir. İç içe geçmiş kapalı fullerenler bucky soğan olarak adlandırılır. Silindirik fullerenler aynı zamanda karbon nanotüpler veya buckytüpler olarak da bilinir. Saf veya karışık fullerenlerin yığın katı formlarına fullerenler denir.

Fullerenler bir süredir tahmin ediliyordu, ancak 1985'teki tesadüfi sentezlerine kadar doğada ve uzayda keşfedilmemişlerdi. Fullerenlerin keşfi, daha önce grafit, elmas ve kurum ve odun kömürü gibi amorf karbonlarla sınırlı olan bilinen karbon allotroplarının sayısını büyük ölçüde artırdı. Hem kimyada hem de teknik uygulamalarda, özellikle malzeme bilimi, elektronik ve nanoteknoloji alanlarında yoğun araştırmalara konu oldular.

Türler

Fullerenlerin farklı özelliklere ve uygulamalara sahip iki ana ailesi vardır: kapalı bucky topları ve açık silindirik karbon nanotüpler. Bununla birlikte, bu iki sınıf arasında yarı küresel bir ağ ile kaplanmış karbon nanotomurcukları nanotüpleri veya daha büyük 'bucky tomurcukları' gibi hibrit yapılar mevcuttur.

Buckminsterfullerene

Buckminsterfullerene, hiçbir iki beşgenin aynı kenarı paylaşmadığı (beşgen gibi kararsız olabilen), beşgen ve altıgen halkalar içeren en küçük fulleren molekülüdür. Genellikle iste bulunabileceği için doğal oluşum açısından da en yaygın olanıdır.

Buckminsterfullerene'nin ampirik formülü C'dir

60, yapısı kesik bir ikosahedrondur, yirmi altıgen ve on iki beşgenden oluşan birleşik bir futbol topuna benzer, her poligonun tepe noktasında bir karbon atomu vardır ve her poligonun bir kenarı vardır. Bir anahtar vardır. Buckminsterfulleren molekülünün van der Waals çapı yaklaşık 1,1 nanometredir (nm). Buckminster fulleren molekülünün çekirdek çapı yaklaşık 0,71 nm'dir. Buckminsterfullerene molekülleri iki bağ uzunluğuna sahiptir. 6:6 halka bağı (iki altıgen arasında) bir 'çift bağ' olarak düşünülebilir ve 6:5 halka bağından (altıgen ile beşgen arasında) daha kısadır. Ortalama bağ uzunluğu 1,4 Å'dur.

Diğer fullerenler

Oldukça yaygın olan bir başka fulleren, C 70 ampirik formülüne sahiptir. Ancak genellikle 72, 76, 84 ve hatta 100'e kadar karbon atomuna sahip fullerenler elde edilir. Mümkün olan en küçük fulleren dodekahedral C 20'dir. 22 köşeli fulleren yoktur. Farklı fulleren C2n'nin sayısı n = 12, 13, 14 ile artar, bu da kabaca n9 ile orantılıdır (OEIS'de A007894 dizisi). Örneğin, 1812 izomorfik olmayan fulleren C 60 vardır . C yalnızca bir biçiminin, buckminsterfulleren olduğuna dikkat edin . Büyümeyi daha fazla açıklamak için, 214,127,713 izomorfik olmayan fulleren C 60'ın, bir çift bitişik beşgen içermeyen (bu tür en küçük fulleren) 200 vardır ve bunların 15,655,672'sinde komşu yoktur. beşgenler. Çevrimiçi olarak yayınlanan ve listelenen birçok fulleren izomerinin optimize edilmiş yapıları.

Heterofullerenler, kafes veya tüp yapılarında karbonların yerini alan heteroatomlara sahiptir. 1993 yılında keşfedildiklerinde, fullerenlerin tüm sınıfını büyük ölçüde genişletirler ve yüzeylerinde sarkan bağlara sahip olabilirler. Dikkate değer örnekler arasında bor, nitrojen (azafullerenler), oksijen ve fosfor türevleri yer alır.

Karbon nanotüpleri

Karbon nanotüpler silindirik fullerenlerdir. Bu karbon tüpler genellikle yalnızca birkaç nanometre genişliğindedir, ancak uzunlukları bir mikrondan birkaç milimetreye kadar değişebilir. Genellikle kapalı uçları vardır, ancak aynı zamanda açık da olabilirler. Ayrıca tüpün kapanmadan önce çapının küçüldüğü durumlar da vardır. Eşsiz moleküler yapıları, yüksek gerilme mukavemeti, yüksek elektrik iletkenliği, yüksek süneklik, yüksek termal iletkenlik ve göreceli kimyasal inertlik dahil olmak üzere olağanüstü makroskopik özelliklerle sonuçlanır (çünkü silindiriktir ve 'düzlemseldir', yani 'açıkta kalan' atomları yoktur ve kolayca ikame edilirler). 2007 yılında Rensselaer Politeknik Enstitüsü'ndeki araştırmacılar tarafından geliştirilen karbon nanotüplerin önerilen bir kullanımı kağıt pillerdir. Uzay teknolojisinde oldukça spekülasyon yapılan bir diğer kullanım ise uzay asansörleri için ihtiyaç duyulan yüksek mukavemetli karbon kabloların üretimidir.