Fullereeni (C60) — hiilen ontto pallomolekyyli: selitys

Fullereeni (C60) selitys: hiilen ontto pallomolekyyli, rakenne, synty ja ominaisuudet — selkeä opas bucky-pallosta, valmistuksesta ja sovelluksista.

Fullereeni on molekyyli, joka koostuu kokonaan hiilestä ja on onton pallon, ellipsoidin tai putken muotoinen. Pallomaisia fullereenejä kutsutaan myös tattaripalloiksi, ja ne muistuttavat jalkapallossa käytettäviä palloja. Sylinterimäisiä kutsutaan hiilinanoputkiksi tai buckytubesiksi. Ne valmistetaan yleensä onttojen pallojen tai putkien muodossa. Fullereenin löysivät vuonna 1985 Robert Curl, Harold Kroto ja Richard Smalley Sussexin yliopistossa ja Rice Universityssä, ja se nimettiin Buckminster Fullerin mukaan, koska hänen kuuluisat geodeettiset kupolinsa ovat muodoltaan samanlaisia.

Fullereenit valmistetaan kuumentamalla grafiittia valokaaressa inerttien kaasujen, kuten heliimin tai argonin, läsnä ollessa.

Rakenne ja perusominaisuudet

Buckminsterfullereeni (C60) on yleisin ja tutkinuin fullereeni. Sen hiiliatomit muodostavat ns. leikattua ikosaedria (truncated icosahedron) — rakenne sisältää 12 viisiraitaista pentagonia ja 20 kuusialaista heksagonia. Tämän vuoksi C60:n muoto muistuttaa jalkapalloa. Molekyylin symmetria on korkea (Ih).

• Atomimäärä: 60 hiiltä; moolimassa noin 720,66 g·mol−1.
• Sidokset: on olemassa kahta tyyppiä C–C-sidoksia (pentagon–hexagon ja hexagon–hexagon), sidospituudet ~1,40–1,46 Å.
• Sähköiset ominaisuudet: C60 on hyvä elektronin vastaanottaja; se voidaan pelkistää useita kertoja muodostaen stabiileja anioneja (esim. C60n−).
• Fyysisesti C60 esiintyy tyypillisesti ruskeana tai tummanviolettina kiteisenä aineena ja liukenee orgaanisiin liuottimiin (esim. toluoli, CS2) mutta ei veteen.

Valmistusmenetelmät

Perinteisin laboratorio- ja teollisuustapa on grafiitin höyryttäminen valokaarella inertissä kaasussa (kaasuhartaus tai kaari), kuten mainittu aiemmin. Muita tekniikoita ovat mm. laserablation (laserilla höyryttäminen grafiitista), palaminen hydrohiilessä ja kaasutusmenetelmät.

Yleinen puhdistusprosessi: soot (hiilipöly) kerätään talteen, liuotetaan sopivaan orgaaniseen liuottimeen ja puhdistetaan kromatografisesti (esim. kolonna- tai HPLC-puhdistus) eristääkseen eri fullereenit (C60, C70 ym.). Saanto on yleensä pieni ja monimutkainen erottelu on usein tarpeen.

Kemiallinen reaktiivisuus ja johdannaiset

C60 reagoi pääosin additioreaktioilla, koska sen kuoret sisältävät konjugoituneita kaksoissidoksia:

• [4+2] ja [2+2] sykloadditiot, Prato-reaktio (pyrrolidinoinsertointi), halogenaatiot ja hydrogeenaukset ovat yleisiä tapoja funktionalisoida C60:aa.
• Endohedraaliset fullereenit: atomeja tai metallioneja voidaan ”pakata” fullereenin onttoon tilaan (esim. metallien sisältämät metallofullereenit), mikä muuttaa elektronisia ja magneettisia ominaisuuksia.
• Redox-kemia: C60 voi vastaanottaa useita elektroneja ja muodostaa stabiileja anioneja, mikä tekee siitä käyttökelpoisen esimerkiksi orgaanisissa elektronisissa sovelluksissa.

Käyttökohteet ja tutkimus

Fullereeneilla ja niiden johdannaisilla on laaja tutkimus- ja sovellusala:

• Elektroniikka ja optoelektroniikka: C60 toimii usein elektronin vastaanottajana (acceptor) orgaanisissa aurinkokennoissa ja transistoreissa.
• Superjohtavuus: alkali-metalleilla (esim. K, Rb, Cs) dopatut C60-ytimet voivat muodostaa superjohtavia yhdisteitä (A3C60), joiden kriittiset lämpötilat voivat olla huomattavia (kymmeniä kelvinejä tutkimusolosuhteissa).
• Materiaali- ja pinnankäsittely: osana voiteluaineita, komposiitteja ja nanomateriaaleja.
• Biolääketiede ja lääkeainekuljetus: tutkimusta tehdään mm. lääkkeiden kantajina ja antioksidantteina sekä endohedraalisina MRI-kontrastiaineina; kliininen käyttö on kuitenkin vielä kehitysvaiheessa ja turvallisuusarvioita tarvitaan.
• Energia- ja varastointitutkimus: tutkimuksia vetyvarastoinnista ja katalyysikäytöstä.

Fyysiset ja spektroskooppiset tunnusmerkit

C60:aa tutkitaan laajasti spektroskopian keinoin — mm. UV–Vis-, Raman-, NMR- ja elektronielektroniresonanssi (EPR) -menetelmillä — jotka auttavat tunnistamaan molekyylin rakenteen, elektronitilan ja funktionalistumisen. C60:n tyypilliset signaalit ja piirteet vaihtelevat riippuen johdannaisista ja pelkistysasteesta.

Turvallisuus ja ympäristö

Fullereenien toksisuus ei ole täysin yksiselitteinen; laboratoriokäytössä noudatetaan varotoimia kuten asianmukaista suojavaatetusta, ilmanvaihtoa ja pölyn leviämistä estäviä käytäntöjä. Nanohiukkasina käyttäytyvät fullereenit voivat aiheuttaa solutasolla oksidatiivista stressiä ja niiden ympäristö- ja terveysvaikutuksia tutkitaan edelleen. Käytännössä:

• Vältä hengittämistä ja pitkäaikaista ihokosketusta.
• Hävitetään ja käsitellään paikallisten turvallisuusohjeiden mukaisesti.

Yhteenveto

C60-fullereeni on ainutlaatuinen hiilen allotrooppi: symmetrinen, ontto pallomolekyyli, jonka kemialliset ja elektroniset ominaisuudet tekevät siitä kiinnostavan monilla tieteenaloilla. Vaikka teollinen hyötykäyttö on kasvanut (esim. elektroniset materiaalit ja tutkimussovellukset), monet lääke- ja ympäristösovellukset vaativat vielä lisätutkimuksia turvallisuuden ja tehokkuuden varmistamiseksi.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on fullereeni?

K: Kuka löysi fullereenin?

K: Miksi se on nimetty Buckminster Fullerin mukaan?

K: Miten fullereenit valmistetaan?

K: Mitä tarkoittaa C60?

K: Mihin C60:n verkko viittaa?

Hae kirjaimella