Index / Tomas / Buckminsterfullerenerna

BUCKMINSTERFULLERENERNA
Av: Tomas Eriksson
Innehåll

Fig.1 C60 Buckminsterfullerenen.

Referenser:


Innehåll


1. Buckminsterfullerenen - Hur upptäcktes den ?

Harold W Kroto är verksam inom mikrovågsspektroskopin, en vetenskap där man kan analysera gasmoln i rymden, såväl i interstellär rymd som i stjärnors atmosfärer genom radioteleskop.

Kroto var intresserad av kolrika jättestjärnor, han hade upptäckt att vissa spektrallinjer i deras atmosfär kunde härröras till ett slags långkedjiga molekyler av kol och kväve, s.k. cyanopolyyner.

Samma slags molekyler finns även i interstellära gasmoln, och Kroto fick idén att kolföreningarna i de interstellära gasmolnen bildats i de heta delarna av atmosfären i de kolrika stjärnorna.

För att närmare kunna studera hur dessa långkedjiga molekyler bildas, behövde Kroto tillgång till utrustning som kunde återskapa förhållanden som liknade de som råder i kolrika jättestjärnors atmosfär.

Richard E Smalley forskar inom klusterkemin. Ett kluster är ett aggregat av atomer eller molekyler, ett mellanting av materia mellan mikroskopiska och makroskopiska partiklar.

Smalley hade konstruerat en apparat i vilken man kan förgasa nära nog varje känt ämne till ett plasma av atomer och sedan studera de kluster som byggs upp då plasmat kyls och kondenserar.

Robert F Curl har en bakgrund inom mikrovågs och infraröd spektroskopin, och samarbetade ofta med Smalley i undersökningar av kluster av metallatomer av metaller av intresse för halvledarindustrin.

Händelseförlopp: Kroto fick kontakt med Curl,
och genom honom information om Smalleys apparat.
Curl förmedlade intresset till Smalley, och de tre gentlemännen sammanträffade för att utföra en serie experiment.

01 Sep 1985 - Experimentserien påbörjas.
14 Nov 1985 - Resultaten publiceras i tidskriften Nature.
09 Okt 1996 - Gruppen tilldelas årets Nobelpris i Kemi.


 2. Experiment, resultat och slutsattser.

Experiment 1

Smalleys apparat användes för att bestråla grafit i en atmosfär av flödande helium med intensivt laserljus. Grafiten förgasas, och ett plasma av kolatomer bildas. Kolatomerna sveps med av heliumflödet in i en vakuum kammare i vilken plasmat expanderar och kyls till några få grader över absoluta nollpunkten. Plasmat kondenseras då, och kluster av kolatomer börjar byggas upp. Antalet kolatomer i klustren kan variera från några få till över hundra. Klustren analyseras med hjälp av masspektrometri.

Under experimentens gång visade det sig att storleken på klustren gick att påverka drastiskt, och speciellt kluster som bestod av 60 eller 70 st kolatomer verkade förekomma så ofta att det indikerade att de hade speciella egenskaper som skulle kunna bero på att de var mycket symmetriska.

Nu dök tanken upp att dessa kluster inte bestod av långa kedjor, utan av stabila slutna strukturer, och då närmast i form av en trunkerad ikosaeder, dvs en fotboll som består av 12st regelbundna 5-hörningar, och 20st regelbundna 6-hörningar. Varje månghörning består alltså av 5 eller 6 kolatomer som sitter i hörnen på månghörningen. Varje kolatom binder 2 andra kolatomer med omväxlande dubbel eller enkel bindningar (Se figur på sid.1).

Man gav C60 trivialnamnet Buckminsterfulleren efter namnet på en arkitekt som uppfunnit den geodetiska domen och skapat byggnader i just denna form, R Buckminster Fuller.

Experiment 2

Gruppen fortsatte undersökningarna av C60, man försökte få det att reagera med gaser som väte, kväveoxid, koloxid, svaveldioxid, syre och ammoniak, vilka injicerades i helium flödet, men ingen reaktion kunde iakttagas, vilket visade att C60 var en trögt reagerande förening.

Det visade sig också att samtliga kolkluster med jämt antal atomer 40 - 80 st (det intervall som kunde studeras) reagerade lika trögt, vilket gjorde att man drog slutsatsen att även dessa förekom i form av slutna skal.

Detta är i överensstämmelse med en matematisk sats av Euler som säger att man med 12 st 5-hörningar och ingen eller fler än en sexhörning kan konstruera en polyeder. För kluster med många atomer kan dessa polyedrar byggas upp på många olika sätt, vilket innebär att det måste finnas ett mycket stort antal möjliga Fullerener.

Från de tidigare kända 6 st olika strukturerna för kristalint kol
(2 grafit, 2 diamant, kaoit, kol(VI), har vi nu fått i princip oändligt många.


Experiment 3

För att ytterligare prova hypotesen om C60:s struktur, tänkte man ut ett experiment där man försökte få fullerenen att innesluta en metallatom.
Man dränkte in en grafitplatta med ett metallsalt (lantanklorid) och gjorde om experimentet med Smalleys apparat.
Vid masspektrometrisk analys visade det sig att fanns
C60La+ och C60La2+ närvarande.
Bestrålning med intensivt laserljus avlägsnade inte metallatomerna, så man drog slutsatsen att de var inneslutna i fullerenerna.

Experiment 4

När man fångade joner av C60 och en metallatom i en magnetfälla och utsatte dem för laserljuspulser så upptäckte man att fullerenen krympte med 2 kolatomer vid varje ljuspuls, tills den nätt och jämt kunde rymma den inneslutna metallatomen, om ytterligare ljuspulser tillfördes, så splittrades fullerenen i mindre bitar. Minimistorleken för fullerenen blev följande för några olika metallatomer.

C60Cs+ = C48Cs+

C60K+ = C44K+

C60+ = C32+

Fler bevis för C60

1990 upptäckte en annan grupp forskare som tidigare studerat kondensation av kolplasma framställt genom att låta en ljusbåge brinna mellan 2 grafitelektroder i heliumatmosfär, att ett av de spektrum som förknippades med C60 var identiskt med ett spektrum de själva registrerat under sina experiment, utan att de då förstod vad de var de såg. De hade alltså ovetande upptäckt en metod att massproducera buckminsterfullerener. Denna metod i kombination med användning av organiska lösningsmedel som avlägsnar de mindre stabila kolföreningarna har gjort det möjligt att framställa ex C60 i så stora mängder att det går att analysera dess struktur med vanliga metoder. Även dessa visar att de har "fotbollsstruktur".


 3. Sammanfattning av struktur och egenskaper

En fulleren eller kolboll är relativt stor, diameter ca: 0,70 nm.

De är stabila, och reagerar mycket trögt med andra ämnen.

Det går dock att koppla ihop kolbollar till andra kemiska föreningar.

Kolbollen kan vara tom, men den kan också fås att innesluta andra atomer & joner av ex. tungmetaller, eller till och med mindre kolbollar.

Vid bestrålning med laserljus krymper fullerenen kontrollerat med 2 atomer i taget tills den inte längre kan bilda ett slutet skal med de återstående atomerna (n<32), eller tills den blir för liten för att kunna omsluta en innesluten atom av något annat ämne.

Fig.2 En kristall av C60 fullerener.

I fast tillstånd packar kolbollarna ihop sig till en kristallstruktur.

Rent C60 är en elektrisk isolator. Om mellanrummen mellan kolbollarna fylls med rubidiumatomer blir materialet en god elektrisk ledare. Om istället atomer av alkalimetaller används för att fylla ut hålrummen blir materialet supraledande vid relativt hög temperatur.

Det har visat sig att det förutom bollar går att framställa filmer och långa slutna rör

s.k.nanotuber med kolatomer bundna på samma sätt som i fullerenerna, man teoretiserar också om mycket stora strukturer exempelvis i toroidform som kanske kan byggas upp av kol bundet på detta sätt.


 4. tänkbara användningsområden.

Sveptunnelmikroskop avbildar objekt med detaljer nere på nanometernivå genom att låta en elektrod i form av en extremt fin nålspets sväva över objektet så nära att elektroner kan tunla över från objektet till nålspetsen. Tunlingsströmmen är direkt proportionell mot avståndet mellan nålspets och objekt, och genom att med styrspänningar till de piezoelektriska material nålen är upphängd i styra nålspetsen så att tunlingsströmmen hålles konstant ger faktiskt styrspänningarna en bild av hur det studerade objektets yta ser ut.

Den begränsande faktorn idag är att man inte kontrollerat kan göra nålspetsar som är mindre än 10 nm i diameter, det har inte funnits material som är stabila i så små dimensioner. Fullerener och slutna s.k. nanotuber däremot är stabila vid 1nm diameter och mindre, och det finns stora förhoppningar om att använda dessa som nålspetsar, och därmed förbättra mikroskopen mångfaldigt.

Några andra tänkbara tillämpningar

Högtemperaturlager belagda med fulleren film.

Super rostskyddsmedel, fulleren-film på ytan som skall skyddas.

supertunna elektriska ledare

Supertunna rör med extremt hög draghållfasthet.

Ersätta kadmium i Ni-Cad celler.

Lagra vätgas (i mellanrummen mellan kolbollarna)

Katalysatorer

Diamantframställning


5. Hur får man tag på fullerener för egna experiment ?

Metod 1. Tag ett vakuumkärl och förse det med en kylslinga av ex kopparrör på utsidan. Gör några täta genomföringar genom vilka grafitstavar kan skjutas in.

Pumpa in helium i kärlet tills trycket är 100 torr, anslut grafitstavarna med grova kablar till en transformator som kan lämna ca: 25V AC, 100A rms, exempelvis en vanlig svetstransformator. Slå på kylvattnet, och strömmen.

När grafitstavarna är förbrukade, skrapa sotet från kärlets väggar och blanda med toluene, extrahera bort det som löst sig i toluenet. Avlägsna toluenet genom avdunstning, det som återstår är en solid av C60 med någon inblandning av högre fullerener.

Metod 2. Ring till detta företag och beställ hem önskad mängd.


 6. Avslutande funderingar.

Huruvida Kroto någonsin hittade bevis för att de långa kolkedjorna (cyanopolyynerna) bildas i jättestjärnornas atmosfärers heta delar framgår inte av de material jag hittat, men jag misstänker att han hur som helst är ganska nöjd med de kolbollar som gav honom del i 1996 års Nobelpris i kemi.