فولرن ها (ملكولهايي توپي شكل )

ملكولي كه 32 و جه دارد تو خالي است و گرد ترين ملكولي است كه مي تواند احتمالاً وجود داشته باشد !

در سال 1985ميلادي يك گروه آمريكايي ـ انگليسي به نام كروتو ـ اسمالي توانستند يك نوع از اين ملكولها را كه بعدها به باك مينستر فولرن C60 معروف شد را تهيه كنند اين ملكول به افتخار باك مينستر فولر مهندس و آرشيتكت آمريكايي كه گنبد ژئو دزيك را اختراع كرد , نامگذاري شده است . گنبدهاي طراحي شده توسط فولر كاملاً پايدارندو ميتوانند نيروهاي سخت محيطي را تحمل كنند.

در سال 1990 ,ولفگانگ كراچمر در مؤسسه ماكس پلانك هايدلبرگ و دونالد هافمن در دانشگاه آريزونا و همكارانش روشي براي سنتز C60 ارائه دادند.به اين ترتيب كه در هواكره , هليم با جرقه اي در ولتاژ بالا , باعث تغيير گرافيت مي شد و از اين راه اسكلت كروي بنام فولرن را بدست آوردند كه در بردارنده ي ملكولهاي تشكيل يافته از كربن بود .به C60 كه از بيست حلقه شش عضوي و دوازده حلقه پنج عضوي تشكيل شده , همانمطور كه گفتيم نام باك مينستر فولرن را دادند .نظر به اينكه شكل و رفتار ملكولهاي باك مينستر فولرن مانند توپ فوتبال است, اين ملكولها به باكي بال نيز مشهورشده اند.

ساختار ملكول C60 كاملاً پايدار است .ساختار اين ملكول آنچنان پايدار است كه ملكول C60 پس از برخورد با صفحه فولادي با سرعت m/s 7000 , شكل اوليه خود را بدست مي آورد . در واقع , تعداد زيادي خوشه هاي اتم كربن در اين ساختار وجود دارد كه تعداد اتمهاي كربن در آن زوج است اين ملكولها را مجموعاً فولرن مي نامند . ملكول C60 مورد توجه خاص دانشمندان است زيرا اتمهاي كربن در آن زوج است و خواص جالب توجه و مفيد زيادي دارد , مانند خاصيت مغناطيسي و ابر رسانايي , كه ناشي از ساختار اين ملكول است .

اگر چه سنتز شيميايي ملكولهاي جديد امري عادي است ,اما سنتز شكل جديد هر عنصر تقريباً متداول نيست .چون در اين مورد ساختار پيشنهادي , كره اي با تقارن زيبا بود , كشف مذكور اهميت فراوان پيدا كرد. كروتو , اسمالي و كرل در دانشگاه رايس تگزاس , ملكولهاي C60 و C70 را از تبخير ليزري گرافيت بدست آوردند . در اين واكنشها انتهاي زنجيرهاي كربن دوباره به هم متصل شده و خوشه هايي را ايجاد مي كند , كه بوسيله طيف سنجي جرمي پي به ماهيت اين خوشه ها برده مي شود .

مدت زمان درازي كروتو و همكارانش هيچ توصيف منطقي يا ساختار قابل قبولي نتوانستند جهت توجيه وجود چنين ملكولهايي بزرگي از كربن ارائه كنند . تا اينكه روزي در يكي از زستورانهاي شهر هوستون ايالت تگزاس آمريكا اتفاق جالبي براي كروتو و همكارانش رخ داد . كروتو يكباره به ياد مدلي از اسباب بازي ا فتاد كه پسرش در خانه ساخته بود و ساختاري قفسي با صفحات پنج و شش ضلعي داشت . در اين مدل شكل ساختمان , همانطور كه در بالا ذكر شد شبيه گنبدهاي مساحي يك معمار آمريكايي به نام باك مينستر فولر بود . كروتو نتايج كاري خود را با شكل فوق مقايسه كرد و نام فولرنها را براي آن برگزيد . پس از نامگذاري اين ملكول جديد كربن , توسط كروتو و همكارانش , مشاهدات طيف سنجي جرمي و پراش اشعه ايكس نيز وجود چنين ملكولي , با ساختاري شبيه توپ فوتبال داراي اشكال پنج و شش ضلعي را تاييد كرد.

C70شبيه توپ فوتبال است و داراي 25 وجه شش گوش است .پس از ساخت چنين ملكولهايي, دانشمندان ديگر موفق شدند فولرنهاي سنگين تري همچون C 84و 74 Cو... را بسازند .در خورد ياد آوري است كه C60 در طبيعت هم وجود دارد. در ميانه ي سال 1992 اين تركيب با در صد بالادر يك معدن 500 ميليون ساله در يكي از جمهوريهاي شوروي سابق كشف شد .تا سال 1997 در حدود 9000 تركيب فولرن شناخته شده بود .

تهيه فولرن ها

همانطور كه در بالا اشاره شده است فولرن ها را مي توان از تاباندن اشعه ليزر بر نمونه از گرافيت بدست آورد . همچنين هليوم مي تواند در ولتاژي بالا به كمك يك جرقه باعث تغيير گرافيت شود و فولرن را بوجود آورد .

محققين ژاپني توانسته اند از اليافهاي كربني, فولرنها را تهيه كنند .اين اليافهادرصنعت بدليل سبكي ومقاومت ويژه اي كه دارا هستند, كاربرد فراواني پيدا كرده اند . آنها شامل يك بدنه كربني بي شكل پيچيده در پوسته گرافيت مي باشند كه باعث مقاومت و انعطاف پذيري الياف مي شوند يكي ديگر از راههاي تهيه فولرن بدين ترتيب است كه بنزن را مي سوزانند و ماده اي بدست مي آيد كه نيمي از آن فولرن و نيم ديگرش دوده معمولي است . روش رايج براي خالص سازي اين مخلوط , گذراندن يك گرم از آن از يك ستون كروماتوگرافي در زمان مناسب است . در حال حاضر پژوهشگران روسي در بكار گيري اين روش زمانبر,تخصص يافته اند . زيرا آنها تجهيزات لازم را در اختيار دارند و به پول نيازمندند . با اين روش مي توان فولرنها را در محموله هاي بزرگ خالص سازي كرد .پيشتر , پژوهشگران انستيتوي تكنولوژي ماساچوست (ام آي تي) كشف كردند كه دي ان ها به فولرنها در دماي اتاق پيوند مي خورند و با گرم شدن آنها را آزاد مي كنند . با اختلاط مخلوط فولرنهاي دودي با سيليكاژل محتوي دي ان , توپهاي باكي به دي ان ها متصل مي شوند و دوده باقي مانده شسته مي شود . زماني كه سيليكاژل تا 100گرم شود پيوندهامي شكنند و فولرن خالص آزاد مي شود .

ساختار فولرن ها

مي دانيم كه پيوندهاي شيميايي اتم كربن در الماس و گرافيت دو حالت الكتروني ارجح با اوربيتالهاي هيبريدي SP2 و SP3 دارند, كه اوربيتالهاي هيبريدي SP2 در گرافيت و SP3 در الماس يافت مي شوند .

اما ملكولهاي فولرن مخلوطي از هيبريد SP2 و SP3 را دارا هستند , آنها تعداد ثابتي پنج ضلعي دارند (12تا) كه تعداد متغيري شش ضلعي به آنهامتصل شد است . زواياي شش ضلعي ها °120و هيبريد كربن SP2 در حاليكه در پنج ضلعي ها زوايا ° 108 بوده و هيبريد كربن به SP3 بسيار نزديك مي باشد .

در فولرن C 20 كه ساده ترين نوع فولرنها مي باشند , ساختار آن تماماً از پنج ضلعي ها تشكيل شده است ,لذا پيكر بندي آن چهار وجهي و شبيه الماس مي باشد , اما بايد توجه داشت براي پايدار نگه داشتن آن لازم است به هر اتم كربن يك اتم هيدروژن متصل شود در مورد C60 كه از دوازده پنج ضلعي و 20 شش ضلعي تشكيل يافته , هر يك از شصت اتم كربن آن به يك پنج ضلعي و دو شش ضلعي متصل شده است .لذا هيبريد آن SP3 و SP2 است .

مطالعات پرتو ايكس در مورد C60 , وجود دو نوع پيوند C-C را نشان داده است . پيوند دوگانه C=C با طول ° A39/ 1 و انرژي پيوندي 612 كه لبه هاي شش ضلعي را بهم متصل مي كند و پيوندهاي يگانه C-C به طول°A43/1 و انرژي 348 كه لبه هاي پنج و شش ضلعي را به هم متصل مي كند .

«فولرن شكل جديدي از كربن چگال است كه در سال 1985 توسط كروتو و همكاران كشف شد. پس از آن مطالعات گسترده‏اي بر روي آن انجام شد. از جمله جنبه‏هاي مورد مطالعه تعيين ساختار هندسي و تعيين قطر اين مولكولها است. در سلهاؤس با استفاده از روش تصويري فوجي تا و همكاران رابطه‏اي اين قطر فولرن هاي بيست وجهي بيان مي‏كند. ما دو رابطة متفاوت با اين رابطه براي محاسبه قطر فولرن بيست وجهي ارائه مي‏كنيم نتايج حاصل از اين روابط به مقدار تجربي نزديك تر است.

جنبة ديگر مطالعات بر روي فولرن ها تعيين پايداري اين مولكول هاست از ميان روش‏هاي نظري روش شبيه‏سازي با استفاده از ديناميك مولكولي تنگ - بست يكي از مؤثرترين روشهاست در اين روش ابتدا با استفاده از رهيافت تنگ- بست انرژي كل را به صورت تابعي از مكان اتمها به دست مي‏آوريم. سپس با ديفرانسيل گيري از انرژي كل نسبت به مكان اتمها، نيروي وارد بر هر اتم را در گام زماني تعيين مي‏شود. زماني كه نيروي وارد بر هر اتم صفر شود، دستگاه به تعادل رسيده است. ونگ و همكاران با بكار بردن اين روش براي فولرن ها پايداري آنها را بررسي كردند.

عوامل مؤثر در پايداري فولرن‏ها گاف انرژي HOMO - LUMO و انرژي دوپاره شدن است. در ميان فولرن‏ها C60 به دليل دارا بودن گاف HOMO - LUMO و انرژي دوباره شدن بزرگ پايدارترين فولرن است.»[1]

مشتقات,واكنش پذيري وخواص فيزيكي ياشيميايي فولرن ها

ملكولهاي C60متراكم مي شوند و جامدي تشكيل ميدهند كه ملكولهاي آن با يكديگر داراي پيوندي سست هستند . اين حالت بلورين,افزون بر شكل هاي الماس و گرافيت كه از دير باز شناخته شده اند شكل تازه اي از كربن جامد ات كه فولريت نام دارد . بعد از تاييد نظريه ساختار قفس بسته برخي از خواص ملكول پيش بيني شد (بين سالهاي 1990ـ1985).در همين زمان , با توجه به تقارن بيست وجهي C60 پيش بيني شد كه بايد اين ملكول داراي چهار نوار فعال ارتعاشي در طيف فرو سرخ باشد.

فولرن ها كه پس از الماس و گرافيت ,شكل سوم كربن به شمار مي روند , آينده ي روشني براي رسيدن به نانو الكتريك باز كرده اند. از زمان كشف باكي بالها ,لوله هاي نانو (استوانه اي كوچك ) و مخروطهاي نانو در آزمايشگاهها ساخته شده اند .بسته به شكل هندسي , تاب خوردگي و نوع ماده پر كننده, اين ملكولها طيف گسترده اي از خواص فيزيكي را از خود نشان مي دهند : از فلز گرفته تا نيم رسانا ,از ماده مغناطيسي تا ابر رسانا .

تركيب C60 با فلزات قلياي ـ ابر رسانا :

همانطور كه گفته شد , ساختار بلوري مكعبي C60 وجه مركز دار مي باشد , در اين ساختار تعداد حفره هاي چهار وجهي دو برابر تعداد مكانهاي مكعبي وجه مركز دار است و تعداد حفره هاي هشت وجهي با تعداد مكانهاي وجه مركز دار برابر است از اين رو پيش بيني مي شود كه در ساختار بلوري C60 سه اتم فلزي تك ظرفيتي با فرمول عمومي M3 C60 بتواند قرار گيرد . پژوهشها نيز نشان داده است اين سري تركيبات قادرند در دماهاي بالا , ‌از خود خصلت ابررسانايي نشان دهند به طور مثال تركيبات K3C60 در دماي 17 درجه كلوين, Rb3C60 در28درجه كلوين و Cs3 C60 در 23 درجه كلوين از خود خصلت ابر رسانايي نشان مي دهند .خواص ابر رساناي و مغناطيسي فولرنها را نمي توان تنها بوسيله هيبريداسيون توضيح داد , بلكه بايستي تحليلهاي نظري مربوط به برهم كنش بسيار قوي ميان الكترونها و هسته را نيز مد نظر قرار داد.

چون باكي بال ساختاري توخالي دارد مي توان مواد را داخل آنها بدام انداخت . نظريه پردازان پيش بيني مي كنند كه C60با مواد بدام افتاده در قفس ملكولي خود واكنش انجام نمي دهد و اين ملكولها را به عنوان محفظه واكنش ملكولي مجسم مي كنند . مواد بدام افتاده در داخل ملكولهاي C60را مي توان با فشردن اين ملكولها وادار به انجام دادن واكنش شيميايي كرد . پس از برداشتن فشار , محصولات را مي توان از درون ملكولهاي دست نخورده C60 استخراج كرد.

چندي پيش گروه مارتن ساندرز در دانشگاه يال روشي را ارائه داد كه به كمك آن مي توان ملكولهاي C60شامل يك اتم گازي خنثي (مانند هليم , نئون ,كريپتون و...)را با بهره ي يك درصد تهيه كرد .تركيبهايي كه در آن يك اتم هليوم «3» در ملكول C60به دام افتاده ,از همه جالب ترند . هليوم در طبيعت داراي دو ايزوتوپ «3»و «4» است ايزوتوپ هليوم «4» بيش از 9/99 در صد كل را تشكيل مي دهد . اگر چه در طببيعت ,فراواني هليوم «3» كم است اما مي توان آنرا به مقدار نسبتاً زياد بدست آورد. هسته هليوم «3» داراي اسپين 2/1 است و براي NMR, هسته خوبي به شمار مي رود . فركانس رزونانسي هسته هليوم «3» در يك طيف سنج 500 مگا هرتز: در حدود 381 مگا هرتز است .به اين ترتيب با استفاده از 3HeNMR مي توان به بررسي فولر نهايي پرداخت كه هليوم در درون آن به دام افتاده است يعني از هليوم «3» بعنوان محكي براي تعيين چگونگي اثر هاي الكترونهاي ي قفس بر محيط مغناطيسي درون ملكول استفاده كرد .از سوي ديگر ,مي توان( با اندازه گيري جابجايي شيميايي هسته هليوم ) تغيير در اين محيط مغناطيسي را از يك فولرن به فولرن ديگر مورد بررسي قرار داد .

در سطح يك ملكول C60 وضع فرق مي كند. پژوهشگران از واكنش باك مينستر فولرن با فلوئور تر كيب C60F60را جدا كرده اند . با امكان وجود 60 محل براي تشكيل پيوند روي هر ملكول , شيميدانان پيش بيني مي كنند كه بتوانند گروههايي از اتمها را در مكانهاي مختلف روي سطح اين ملكول بچسبانند. اين تركيبات را مي توان طوري طراحي كرد كه خواص شيميايي و فيزيكي خاصي داشته باشد.

تهيه فولرييد ـمشتق فولرن

پژوهشگران با افزودن يك استخلاف دي فنيل آزو متان به C60, ملكول ديگري بنام فولرييد را سنتز كرده اند كه در PH=7 محلول در آب مي باشد .تحقيقات بيشتر نشان داده كه اين تركيب جديد قادر است ويروس مولد ايدز (پروتئاز1 ـHIV ) را بطور مؤثري از بين ببرد.(شكل 5)

آزا فولرنها: توپهاي باكي جديد

دانشمندان به اميد بسط منابع و كشف شيمي جديد اين تركيبات از طريق كاربردهاي عملي ,خويشاوند شيميايي توپهاي باكي موسوم به آزا فولرنها را ساخته اند . اين ملكولها بجاي يكي از كربن ها نيتروژن حمل ميكنند و طبق نظر پژوهشگران دانشگاه ساسكس انتظار مي رود اين تغير ماهرانه بطور اساسي بر ساختارفولرن و خواص الكتوني آن اثربگذارد .

اين پژوهشگران به همراه پژوهشگران كاليفر نيا ويژگيهاي آزا فولرنهاي جامد را شناسايي مي كنند و نخستين بار كشف كردند كه آنرافولرنهادر حالت جامد ,به شكل گوي در گوي در مي آيند .آزا فولرن (C59N)2 موقع انجماد به شكل بي نظيري دستخوش سازمان دهي خود به خود مي شود و گويهاي تو خالي به قطر 5 تاμm10 به وجود مي آورد ,كه از صد ها توپ باكي آزا ساخته شده اند .

براي ساخت اين تو پها پژوهشگران از طريق تبخير سريع حلال(C59N)2 جامد را از يك محلول آزا فولرن در ارتو دي كلو بنزن به دست آوردند . سپس نمونه ها را در خلأ و د دمايC°140 گرم و به مدت يك شب خشك كردند .از بمباران سريع با فر اصوت و قرار دادن جامد در يك شبكه كربني ماده ي جامدي توليد شد كه براي آزمايش با ميكروسكوپ الكتروني پويشي آماده بود . نتايج نشان داد آزا فولرنها به گونه اي انباشته مي شوند كه گويهاي ميكروسكوپي از ماده بدست مي آيد . بررسي دقيق اين گويها نشان داد كه تو خالي هستند و قطر حفره مركزي آنها μm2/0 است .همه ذرات آزمايش شده توخالي بودند و مطالعه از طريق ميكروسكوپ الكتروني عبوري نيز تصوير مشابهي را ارائه كرد .هر چند نمونه خيلي بلورين نبود ولي اندازه گيري پراش پرو ايكس روي گرد ماده هنوز يك الگوي منطقي نشان مي داد . اين الگو نشان داد كه گويها تقريباً مثل آرايش شش گوشه اي تنگچين بهم بسته شده اند . اين ذرات كروي از واحد هاي ملكولي كروي تشكيل شده اندو نبايد آنها را با ذرات دوده اشتباه كرد . اين گويها ظاهراً بر اثر تبخير سريع حلال از محلول تشكيل مي شوند . پژوهشگران اظهار مي دارند كه بليل فرار سريع آخرين ملكولهاي حلال , آزوفولرن ها به اين شكل يخ مي زنند و توخالي مي مانند .طبيعت متخلخل جامد اين گويها ي آزا فولرن آنها را براي كاربرد هاي احتمالي در فرايندها ي جداسازي يا در صافيها همانند زغا ل فعال مناسب كرده است .

فولرن ها (ملكولهايي توپي شكل )

مطالب مشابه :

جایگاه شهر اسفراین، در نهضت سربداران اولین حکومت شیعه دوازده امامی در ایران

بایدها و نبایدهای شبکه نمایش خانگی (1)

در مورد تاریخچه شهرستان جلفا

گنجهاي اهرام مصر

فولرن ها (ملكولهايي توپي شكل )

شناسائی رژيم های بارش ايران به روش تحليل خوشه ای

سلاطین سلجوقی