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FullereneIl fullerene è un allotropo molecolare del carbonio scoperto il 4 settembre 1985. Le molecole di fullerene, composte interamente di carbonio, assumono una forma simile a una sfera cava, di un ellissoide o di un tubolare. Il fullerene approssimativamente sferico è denominato a volte buckyball, abbreviazione di buckminster-fullerene, con riferimento alla somiglianza con le cupole geodetiche predilette dall'architetto Richard Buckminster Fuller; il fullerene cilindrico è altresì noto come buckytube o
nanotubo. Le molecole di fullerene sono generalmente stabili a temperatura e pressione ambiente, nonostante siano energeticamente sfavorite rispetto ad altri allotropi del carbonio, quali la grafite e il diamante.
NomenclaturaLa molecola aveva inizialmente il nome di soccerene, da soccer (calcio, in inglese americano), vista la somiglianza della sua struttura con quella di un pallone da calcio. Gli atomi di carbonio si dispongono infatti ai vertici di un particolare poliedro semiregolare: l'icosaedro troncato. Si tratta di uno dei 13 solidi archimedei, le cui facce sono esagoni e pentagoni. Il nome attuale è stato dato in onore di Richard Buckminster Fuller, architetto celebre per aver diffuso la cupola geodetica con la forma dello stesso poliedro. Il fullerene è
strutturalmente simile alla grafite, la quale si costituisce di anelli esagonali collegati tra loro su un piano, ma si differenzia per alcuni anelli di forma pentagonale (o a volte ettagonale) che impediscono una struttura planare.
FulleriteIl più piccolo fullerene in cui nessuna coppia di pentagoni condivide un bordo (risultando altrimenti destabilizzante) è C60 (fullerite) e in quanto tale risulta essere inoltre il più diffuso. La struttura del C60 è quella di un icosaedro troncato, che assomiglia a un pallone da calcio, costituito da esagoni e pentagoni, ai cui vertici si posiziona ciascun atomo di carbonio e i cui bordi rappresentano i legami. Un nanotubo di carbonio single-walled polimerizzato (P-SWNT) è una sostanza composta di fullereni polimerizzati in cui gli atomi di carbonio di buckytube diversi legano tra di loro.
Previsioni e scoperte Fino al tardo XX secolo, la grafite e il diamante erano gli unici allotropi conosciuti del carbonio. Poi, negli esperimenti con fasci molecolari, si osservarono molecole con massa corrispondente in modo esatto a quella di 60, 70 o anche oltre, atomi di carbonio. Harold Kroto, dall'University of Sussex, James Heath, Sean O'Brien, Robert Curl e Richard Smalley, dalla Rice University, scoprirono il C60 e gli altri fullereni nel 1985. Kroto, Curl e Smalley hanno ricevuto il premio Nobel per la chimica nel 1996, per il loro ruolo nella scoperta di questa categoria di composti. Il C60 e altri fullereni furono successivamente notati in ambienti fuori dai laboratori (ad esempio nella classica fuliggine della candela). Dal 1991, è relativamente più facile produrre determinate quantità di polvere di fullerene, tramite le tecniche messe a punto da Donald Huffman e Wolfgang Krätschmer.
Comunque, la purificazione del fullerene rimane una sfida per i chimici e determina in larga misura il suo prezzo.Dal 1999 il fisico austriaco Anton Zeilinger ha iniziato una serie di esperimenti con molecole di fullerene C60 e C70, arrivando a dimostrare sperimentalmente che con tali molecole è possibile l'interferenza quantistica "alla Young".
Nel 2010, per la prima volta, sono stati individuati fullereni nello spazio, grazie al telescopio spaziale Spitzer della NASA. La loro presenza nello spazio cosmico si ipotizzava sin dagli anni '70, ma ricerche precedenti avevano fallito nella loro identificazione. Gli scienziati dell'Università del Western Ontario li hanno individuati in una nebulosa planetaria chiamata Tc 1, a 6.500 anni luce dalla terra.
ProprietàImmagine generata al computer del Fullerene C540
A partire dai primi anni Duemila, le proprietà chimiche e fisiche dei fullereni sono state importanti oggetti di studio, sia nei laboratori di ricerca puri che applicati. Nell'aprile del 2003, i fullereni sono stati studiati per un loro potenziale uso medicinale - legando specifici antibiotici alla loro struttura per mirare a battere le resistenze dei batteri o perfino per colpire cellule del cancro come il melanoma.
Il fullerene non è molto reattivo data la stabilità dei legami simili a quelli della grafite ed è inoltre ragionevolmente insolubile nella maggioranza dei solventi. I ricercatori hanno potuto aumentare la reattività fissando dei gruppi attivi alla superficie del fullerene.
La fullerite non esibisce il fenomeno della "superaromatizzazione": cioè gli elettroni negli anelli esagonali non si delocalizzano all'interno dell'intera molecola. Altri atomi possono essere bloccati all'interno dei fullereni e una recente prova ha datato gli effetti di una meteora alla conclusione del periodo permiano (tarda era paleozoica). Questo fu reso possibile analizzando i gas nobili conservati nella struttura del fullerene.
In nanotecnologia, la resistenza termica e la superconduttività sono alcune delle proprietà più studiate.Produzione dei fullereniUn metodo tradizionalmente impiegato per produrre i fullereni si realizza nella creazione di un arco elettrico, a circa 5300°K, con una corrente elevata e bassa tensione, utilizzando elettrodi in grafite in atmosfera inerte (argon) a bassa pressione. Dall' arco il carbonio si raffredda in un residuo fuligginoso, da cui possono essere isolati, in bassa percentuale, i fullereni. Tale sistema è molto costoso, data l'elevata energia che va utilizzata, la bassissima resa in fullereni rispetto al carbonio amorfo, la elevata quantità di solventi organici necessari per isolare i fullereni, ed inoltre il fatto che la grafite debba essere di elevata purezza e di alta conducibilità elettrica, quindi molto costosa. Inoltre gli apparecchi produttivi non sono "scalabili", aumentando la dimensione degli ellettrodi la resa proporzionale diminuisce.
Recentemente si è realizzato un sistema molto promettente e molto più economico che utilizza pressioni ed atmosfere analoghe, e come fonte enrgetica è usata la luce solare concentrata a temperature leggermente inferiori all'arco (circa 3700°K), su comuni cilindri di grafite. In questo caso l'impianto è risultato maggiormente scalabile, la resa in fullereni è superiore, si ha minore uso di solventi, e con nessun consumo energetico di potenza; è solo necessaria poca energia elettrica a bassa potenza per i sistemi di controllo. In questo caso inoltre la grafite non deve essere conduttrice o di qualità particolare, e quindi è molto meno costosa. Unica prescrizione di rilievo, in tal caso, è l'utilizzo di eccellenti sistemi di collimazione della luce, i quali peraltro già esistono.Possibili pericoli per la saluteAnche se in teoria i buckyballs sono relativamente inerti, una presentazione della American Chemical Society nel mese di marzo del 2004, descritta in un articolo di New Scientist il 3 aprile 2004, suggerisce che la molecola è nociva agli organismi. Un esperimento condotto da Eva Oberdörster alla Southern Methodist University, ha dimostrato che, introducendo fullerene in acqua in concentrazione pari a 0,5 ppm, la spigola ha sofferto danni cellulari nel tessuto del cervello dopo 48 ore. I danni sono stati identificati come perossidazione lipidica, patologia di cui è nota la capacità di alterare il funzionamento delle membrana cellulare. Si sono verificati inoltre cambiamenti infiammatori nel fegato e nell'attivazione dei geni atti alla sintesi di enzimi di riparazione.
Fullerene in matematicaIn matematica, un fullerene è un poliedro convesso trivalente con facce esagonali e pentagonali. Usando la formula di Eulero, si può dimostrare facilmente che ci sono esattamente 12 pentagoni in un fullerene. Il più piccolo fullerene è il C20, il dodecaedro. Non ci sono fullereni con 22 vertici. Il numero di fullereno C2n si sviluppa velocemente con l'aumento di n = 12, 13, ...
Per esempio, ci sono 1812 fullereni non-isomorfici C60 ma soltanto uno di essi, il fullerite, non ha accoppiamento di pentagoni adiacenti.Edited by amadeus21 - 14/1/2012, 13:45
