فولرن ها؛ ساختار، خواص و کاربرد
ساختار فولرن ها
کربن
در طبیعت دارای پنج آلوتروپ الماس، گرافیت، نانولوله، کربن بی شکل و فولرن
است، که همگی جامد می باشند. (شکل1). در الماس که از سخت ترین اجسام طبیعی
است، هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند دارد و هیبریداسیون اتم های
کربن در این ساختار، به شکل sp3 می باشد. در گرافیت شش ضلعی های ِ منتظم
کربنی لایه هایی را ایجاد کرده اند که بر روی یکدیگر انباشته شده و هر لایه
از طریق پیوندهای ضعیف وان در والس به لایه زیرین متصل است. هنگامی که
لایه های گرافیتی در هم پیچیده شوند، نانولوله های کربنی را تشکیل می دهند.
در واقع نانولوله، گرافیتی ست که به شکل لوله در آمده باشد. فولرن، نخستین
مولکول کربن کروی شناخته شده با کربن های مرتب شده، در قالب کره ای به شکل
توپ فوتبال می باشد.
پایه
ی فولرین ها صفحات موجود در گرافیت می باشد با این تفاوت که در ساختار
اتمی فولرین ها به جای شش ضلعی های منظم موجود در صفحات گرافیت، یک سری شش
ضلعی و پنج ضلعی منظم وجود دارد که به صورت یک در میان در کنار هم قرار
گرفته و کره فولرن را تشکیل داده اند. قرارگیری این پنج ضلعی و شش ضلعی ها
در کنار هم برای شکل دادن یک ساختار کروی ضروری است. در حقیقت بدون حضور
پنج ضلعی ها در ساختار گرافین نمی توان از صفحات گرافین ساختارهای کروی به
دست آورد.
فولرن
ها را با توجه به تعداد اتم های موجود در ساختمان شان شناسایی می کنند.
برای نامگذاری فولرن ها از یک حرف C استفاده می شود که بیانگر اتم کربن
موجود در ساختار آن هاست. بعد از حرف C تعداد اتم های کربن موجود در واحد
شبکه ی کروی فولرن ذکر می شود. مثلاً مولکول C60 دارای 60 اتم کربن است.
تعداد اتم ها در فولرن های تولید شده تاکنون از 28 عدد تا صدها اتم کربن
است (شکل 1).
شکل 1. انواعی از فولرن ها
کشف فولرن ها
در
سال 1966 دانشمندی به نام دالس برای اولین بار در مورد توانایی تولید
ساختارهای کروی بسته ای از اتم های کربن بحث نمود. در ابتدا این پیشنهاد
مورد توجه دانشمندان وقت قرار نگرفت. چهار سال بعد در سال 1970 دانشمندی به
نام اوساوا در تحقیقاتش راجع به ساختارهای کربنی موجود در طبیعت، یک
مولکول کربنی C60 را با ساختاری شبیه توپ فوتبال متصور شد. تا این که در
سال 1984 در اثر تبخیر لیزری گرافیت، خوشه های بزرگ کربنی Cn، در آزمایشگاه
مشاهده شد (n مقادیری بین 30 تا 90 دارد).
کشف
اصلی فولرن در سال 1985 رخ داد. در این سال سه دانشمند به نام های کروتو،
اسمالی و کارل بر روی فرایندی برای تولید کلاسترهای کربنی ستاره ای شکل
مطالعه می کردند. این روش به وسیله متمرکز کردن لیزر روی یک گرافیت انجام
شد. بعد از انجام این آزمایش ها و طی انجام یک سری آزمایش های طیف سنجی روی
محصولات تولید شده، مولکول های C60 در مواد تولید شده کشف شدند (شکل 3).
این مولکول به علت شباهتی که با ساختار توصیف شده توسط معمار معروف، باک
مینسترفولر داشت، به این اسم نامیده شد. دانشمندان مذکور به خاطر این کشف
در سال 1996 جایزهء نوبل سال را دریافت نمودند.
شکل2. مشاهده سیگنال C60 در طیف سنجی مواد تولید شده توسط روش تبخیر لیزری
خواص و کاربردهای فولرن ها
شکل
زیبا و بی سابقهء فولرن ها و خواص شگفت انگیز این مولکول ها توجه بسیاری
از دانشمندان را به خود معطوف کرده است. پایدارترین و فراوان ترین فولرن ها
انواع C60 و C70 هستند. بنابراین بیشتر خواص ذکر شده در مورد فولرن ها نیز
روی این دو نوع متمرکز شده است. برخی از خواص فیزیکی این دو مولکول در
جدول 1 ارائه شده است.
جدول1. برخی از خواص فیزیکی C60 و C70
|
کمیت(واحد) |
مقدار برای C60 |
مقدار برای C70 |
|
حجم مولکولی (cm3) |
87.1 × 22-10 |
42.7 |
|
اولین انرژی یونیزاسیون (ev) |
58.7 |
61.7 |
|
انرژی پیوند اتم های کربن (ev) |
40.7 |
42.7 |
|
متوسط فاصلهء بین اتم های کربن (A°) |
41.1 |
43.1 |
استحکام مکانیکی؛ به عنوان تقویت کننده در نانوکامپوزیت ها
فولرن ها از نظر مکانیکی مولکول های بیش از حد قوی هستند و تحمل فشارهای بسیار زیاد را دارند، به طوری که پس از تحمل فشاری حدود 3000 اتمسفر به شکل اولیهء خود (ساختار کروی فولرن) برمی گردند. اخیراً از این خاصیت در تولید نانوکامپوزیت ها استفاده شده است. به این ترتیب که فولرن ها را به عنوان ماده پرکننده وارد مادهء زمینه کرده و به این ترتیب تنش تسلیم کامپوزیت ها را بهبود می بخشند.
خاصیت روان سازی بالا؛ روان کاری در مقیاس نانومتری
مولکول های فولرن به وسیله پیوندهای ضعیفی که ناشی از نیروهای واندروالس بین آن هاست به هم می چسبند. این نیروهای نگهدارنده فولرن ها در کنار هم مشابه نیروهای موجود بین لایه های گرافیت است. بنابراین برخی از خواص فولرن ها مشابه خواص گرافیت می باشد. به عنوان مثال اخیراً از فولرن ها به جای گرافیت در کاربردهای روان کاری در مقیاس نانومتری استفاده شده است.
حساس در برابر نور؛ کاربردهای فوتونیک
فولرن ها در برابر نور بسیار حساس بوده و با تغییر طول موج نور خواص الکتریکی این مواد به شدت تغییر می کند. بنابراین کاربردهای فوتونیک زیادی برای این مواد در آینده متصور شده است.
ساختار توخالی؛ مکانی برای قرارگیری عناصر
می توان درون مولکول های توخالی فولرن ها را توسط عناصر دیگر پر کرد. به عنوان مثال با قرار دادن برخی عناصر فلزی درون فولرن ها خواص الکتریکی آنها بهبود یافته است. اخیراً از چنین ساختارهایی در تولید دستگاه های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) در پزشکی استفاده شده است.
خواص زیست سازگاری؛ دارورسانی
درون فولرن ها می توان برخی آنزیم ها و یا داروها و هورمون های مورد نیاز بدن را قرار داد. به این ترتیب در نانو پزشکی می توان از این مواد استفاده نمود. در یکی از جدیدترین کاربردهای فولرن ها برای مبارزه با ویروس ایدز، آنزیم ضد این ویروس درون فولرن ها قرار داده شده و وارد بدن شده است. مداوای بیماری ایدز با چنین روشی امیدوار کننده بوده است. علاوه بر این کشف شده که احتمالاً فولرن ها برهم کنش های بیولوژیکی با ویروس HIV دارند و به علاوه می توانند در مبارزه با این ویروس به آنزیم های دیگر کمک کنند.