Φουλερένια και νανοσωλήνες !!!

Δομή του C60.

Κάθε μόριο έχει τη μορφή κανονικού εικοσαέδρου και θυμίζει μπάλα ποδοσφαίρου.

Το 1985, ο Kroto (Μ.Βρετανία) και οι Heath, Brien, Curl, Smalley (ΗΠΑ) ανακάλυψαν πως όταν εξαερώνεται ο γραφίτης υπό την επίδραση μιας δέσμης laser μέσα σε ρεύμα ηλίου δημιουργούνται μόρια, αρκετά σταθερά, που αποτελούνται από ένανν μεγάλο (32-90) αριθμό ατόμων άνθρακα.

Το σταθερώτερο ήταν το C60, και οι επιστήμονες που το ανακάλυψαν θεώρησαν πως είχε τη μορφή μιας μπάλας ποδοσφαίρου. Το ονόμασαν δε buckball ή buckminsterfullerene από το όνομα του αρχιτέκτονα Buckminster Fuller που είχε κατασκευάσει παρόμοιες δομές. Η δε συλλογή όλων των C60 ονομάστηκε φουλερένια.

Αποδείχθηκε πως τα φουλερένια δεν είναι σπάνια: απαντούν στην αιθάλη αερίων και σε άλλες ουσίες που παράγονται από ατελείς καύσεις. Στο μόριο αυτό, οι κορυφές είναι άτομα άνθρακα και οι ακμές είναι οι δεσμοί σθένους τους. Δεν υπάρχουν ελεύθερα σθένη και αυτό εξηγεί τη μεγάλη χημική και φυσική σταθερότητα του.

Η ύπαρξη κοιλότητας μέσα στο buckball έχει αποδειχθεί πειραματικά μέσω της μιονικής ανάλυσης. Σε αυτή τη μέθοδο ο ανιχνευτής είναι μιονικό υδρογόνο (ο πυρήνας του αντί πρωτόνιο έχει ένα μιόνιο, με φορτίο +e και μάζα 200m).

Οι επιστήμονες κατάφεραν να τοποθετήσουν μιονικό υδρογόνο σε ένα 'κλουβί φουλερενίου' και να δείξουν πως οι ιδιότητες του μιονικού υδρογόνου έγλειστου και ελεύθερου ήταν ουσιαστικά οι ίδιες.

Τα ελεύθερα μόρια του buckball ενώνονται μεταξύ τους με ασθενείς δυνάμεις van der waals και εξαιτίας αυτής της έλξης, τα μόρια σχηματίζουν κρυστάλλος κυβικού εδροκεντρωμένου πλέγματος, που ονομάστηκαν φουλερίτες.

Η απόσταση ανάμεσα στα γειτονικά μόρια buckball του κρυστάλλου είναι 1nm. Ο καθαρός φουλερίτης που αποτελείται μόνο από buckminsterfullerene είναι μονωτής.

Αυτά τα νέα μόρια άνθρακα (τα φουλερένια) και οι κρύσταλλοι που δημιουργούν (οι φουλερίτες) είναι η τρίτη μορφή του άνθρακα ή η τρίτη αλλοτροπική μορφή.

Κατασκευή φουλερενίου

Τα μέσα της δεκαετίας του '80 δεν μπορούσαν οι επιστήμονες να κάνουν μια αξιόπιστη δομική ανάλυση για τα φουλερένια, γνώριζαν πολύ λίγα για αυτά. Αλλά το 1990, ομάδα Αμερικανών αστροφυσικών ειδικών στην αστροφυσική σκόνη μπόρεσαν να κατασκευάσουν τα buckminsterfullerene μαζικά με μια μέθοδο που χρησιμοποιούσαν στην παραγωγή της κοσμικής σκόνης.

Συγκεκριμένα διέλυσαν την αιθάλη (από εξαέρωση άνθρακα) μέσα σε βενζόλιο και τελικά κατόρθωσαν να παραχθεί ένα κιτρινωπό ή κοκκινωπό υγρό που αποτελούνταν από μόρια C60 (75%) και C70 (25%).

Εφαρμογές φουλερενίων

Λόγω της πολύ μεγάλης αντοχής τους έχει προταθεί να χρησιμοποιηθούν σαν λιπαντικά, στη Φυσική, στη Χημεία, στη Βιολογία και στην Ιατρική.

Συγκεκριμένα να βάλουν στην κοιλότητα του διάφορα μόρια και να οδηγήσουν το φουλερένιο μαζί με το ξένο μόριο στη θέση που επιθυμούν πχ σε μια επιθυμητή θέση πρωτεϊνης να μεταφέρουμε ένα οργανικό μόριο, οπότε θα φτιάξουμε ένα τεχνητό ιό με επιθυμητές ιδιότητες.

Στη Φυσική και στον τομέα της νανολεκτρονικής, θα μπορούσαμε να φτιάξουμε κβαντικές κουκκίδες -μικροκρύσταλλοι ή άλλοι σχηματισμοί σε κυκλώματα- από φουλερένια.

Τις κουκκίδες αυτές μπορούμε να τις χρησιμοποιήσουμε σε επεξεργαστές υπερυπολογιστών ή σε στοιχεία ελέγχου σε επικοινωνίες οπτικών ινών. Επίσης στην υπεραγωγιμότητα πχ ένας φουλερίτης με πρόσμιξη καλίου ή ρουβιδίου έγινε υπεραγωγός σε 28 - 29Κ.

Νανοσωλήνες

Μια άλλη αλλοτροπική μορφή είναι αυτή των νανοσωλήνων, που ανακάλυψε ο Sumio Itjima της εταιρείας NEC. Η δομή τους μοιάζει με αυτή του κοινού γραφίτη και την παρασκεύασε ο Amelinckx.

Οι νανοσωλήνες σχηματίζουν σωλήνα εσωτερικής διαμέτρου 1nm και μανδύα από αλλεπάλληλα στρώματα εξαγωνικών δικτύων άνθρακα. Οι ιδιότητες τους μηχανικές και ηλεκτρικές είναι σπουδαίες και οφείλονται στη σωληνοειδή τους δομή.

Αυτές είναι μεγάλη αντοχή, χαμηλό βάρος, σταθερότητα, ευκαμψία, καλή θερμική αγωγιμότητα, το μεγάλο εμβαδόν επιφανείας και πολλές άλλες ηλεκτρικές ιδιότητες.

Τέτοιοι σωλήνες στη θερμοκρασία δωματίου συγκρατούν υδρογόνο, μέχρι 10% του βάρους των νανοσωλήνων. Αλλά γιατί η διατήρηση του υδρογόνου είναι σπουδαία;

•► Γιατί το Η2 μπορεί να παρασκευαστεί φθηνά, με χρήση της ηλιακής ενέργειας.

•► Το Η2 μπορεί να αποθηκευτεί σε μεγάλες ποσότητες, ενώ το ηλεκτρικό ρεύμα όχι.

•► Το Η2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν χημικό καύσιμο.

Τα άκρα των νανοσωλήνων είναι οξύτατα και εκπέμπουν ηλεκτρόνια μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο. Προβλέπεται πως μπορεί να έχουν μεγαλύτερη αξία για φωτεινές οθόνες, όταν κατορθωθεί ο παραλληλισμός τους.

Νανοσωλήνες βρέθηκαν και στη φύση σε σημεία όπου έχουν πέσει μετεωρίτες ή κεραυνοί. Μερικές χρήσεις των νανοσωλήνων είναι:

•► Τρανζίστορ και δίοδοι

•► Πεδίο εκπομπής για επίπεδες οθόνες

•► Ενίσχυση σήματος κινητών τηλεφώνων

•► Αποθήκευση ιόντων για συσσωρευτές

•► Ενίσχυση υλικών

•► Χρήση ως πολυμερών πρόσθετων ουσιών

Ο Noriaki Hamada της NEC και ο Mildred Dresselhaus της MIT ανακάλυψαν πρόσφατα ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο μια ιδιότητα.

Αν ενωθούν μια σειρά εξαγώνων κατά τον επιμήκη άξονα του νανοσωλήνα σε ευθεία διάταξη, τότε ο σωλήνας θα συμπεριφέρεται σαν μέταλλο και θα άγει ηλεκτρισμό. Αν όμως μια σειρά εξαγώνων τοποθετηθεί σε σχηματισμό έλικας, ο σωλήνας λειτουργεί σαν ημιαγωγός.

Επίσης σχεδιάζεται η αντικατάσταση του πυριτίου από νανοσωλήνες στην νανοηλεκτρονική ή σαν διακόπτης γιατί μπορεί κάτω από ορισμένη δομή να συμπεριφέρεται σαν ημιαγωγός.

Σημείωση … Στην αρχική δημοσίευση δεν υπήρχαν οι φωτογραφίες 1,2 οι οποίες είναι από το διαδίκτυο [ GOOGLE ] - και εγώ ο admin - δηλώνω ότι δεν είμαι κύριος πνευματικών δικαιωμάτων των φωτογραφιών !!!!

physics4u.gr