Keşiflerinden bu yana geçen birkaç yıl sonra, fullerenler şimdi kimya ve malzeme biliminin birçok alanında köklü bir araştırma konusudur. Yıllar süren çalışmalar, araştırmacıları bu bileşik sınıfının hem potansiyelleri hem de sınırlamaları hakkında bilgilendirdi. 

Fulleren bilimi Nanoteknoloji, Supramoleküler Kimya ve Malzeme Kimyası gibi alanlarda belirgin bir rol oynamaktadır. En umut verici araştırma bölgelerinden biri, fullerenlerin olağandışı manyetik, optik, fotofiziksel, elektrokimyasal, yarı iletken ve süper iletken özelliklere sahip olması nedeniyle çeşitli uygulama amaçları için kalitelerini iyileştirmek ve / veya arttırmak için fulleren kafesinin modifikasyonunu içerir. 

Giriş

Son yıllarda yeni fulleren tiplerinin işlevselleştirilmesi ve araştırılması temelinde yeni bir araştırma alanı ortaya çıkmıştır; bu, farklı teknolojik alanlarda bu karbon içi boş kümelerin özelliklerinden yararlanmayı amaçlamaktadır. Çok sayıda işlevselleştirme olasılığı, fullerenlerin zengin supramoleküler kimyası ile birleştiğinde, çok çeşitli mimarilere sahip çok sayıda fulleren türevinin üretilmesini sağlar ve bunlar sürekli olarak yeni malzemeler olarak keşfedilir. 

Fullerene Detaylı Bakış

C60 Fulleren (Buckminsterfullerene olarak da bilinir), C60 formülüne sahip bir fullerendir. Bir futbol topunu hatırlatan kafes benzeri bir kaynaşma halkasına sahiptir ve yirmi altıgen ve on iki beşgenden oluşmaktadır.

C60 Fulleren Özellikleri ve Uygulamaları

Teorik olarak her malzeme dalga-parçacık sünekliği davranışı sergiler, ancak buckminsterfulleren (C60 fulleren) bu davranışı sergilediği gözlemlenen en büyük malzemedir.

C60 Fullerenin Özellikleri

Fullerenlerin görünümü, çözeltide olsun ya da olmasın malzemenin kalınlığına ve çözücünün doğasına göre değişir. Çok ince C60 fulleren filmleri hardal sarısıdır, renk kahverengileşir ve son olarak film kalınlığı arttıkça siyahtır. C60 fulleren çözeltileri hidrokarbon çözücülerde güzel bir eflatun renge sahiptir, ancak muhtemelen bazı yük transfer etkileşimleri nedeniyle bazı pi donör çözücülerde kahverengi görünür.

Fiziksel ve Termal Özellikler

C60 fulleren için bazı yararlı veriler şunlardır: Ortalama çap, 6,83 4 dış çap, 10,18 A; iç çap, 3.48 A; ortalama C-C mesafesi 1.44 A FCC (yüz merkezli kübik) kafes sabiti 14.17 A. Kütle yoğunluğu, 1.72 g cm-1; moleküler yoğunluk, 1.44 x 1021 cm-3; termal iletkenlik (300 K'da), 0,4 W mK-1; faz geçiş sıcaklıkları, 90 K, 260 K. Atom başına bağlanma enerjisi, 7.4 eV; elektron ilgisi, 2.65 eV, 1. iyonizasyon potansiyeli, 7.58 eV; 2. iyonizasyon potansiyeli, 11.5 eV; HOMO-LUMO bant aralığı, 1.7 eV.

Oksitleyici Özellikler ve Toksisite

C60 fulleren güçlü bir tekli oksijen üreticisidir ve bu nedenle cilt ile temasından kaçınmak için önlemler alınmalıdır. Bununla birlikte, bu bağlamda, suda çözülebilen bir fulleren karboksilik asidin biyolojik aktivite-toksisite ve G-seçici DNA parçalanma kabiliyeti (ancak sadece düşük seviyeli görünür ışığın etkisi altında) gösterdiği ve fullerenlerin potansiyel olarak mükemmel fotoindüksiyonlu olduğu belirtilmelidir. Elektron taşıma kısımları C60 fullerenin, insan keratinositlerinin veya insan fibroblastlarının çoğalmasını etkilemediği, insan hücrelerinde birikmesinin akut toksisite ile sonuçlanmadığı bulunmuştur. Ayrıca, moleküler oksijen varlığında görünür veya UV ışıması altında, foto-oksijenasyon ürünleri vermek için bir fulleren izi mevcutsa, alkenler ve dienler tekli oksijen ile reaksiyona girer. Bununla birlikte, fullerenin nispi etkinliği konusunda bir anlaşmazlık vardır, bazı anketler ilkinin daha verimli katalizör olduğunu, diğerleri ise ikincisinin daha etkili olduğunu düşünmektedir. C60 fulleren düşük miktarda yalancı bir LUMO'ya sahip olduğundan, kolayca azaltılır ve elektrokimyasal koşullar altında geri dönüşümlü olarak altı elektrona kadar kazanabilir. Elektronların eklendiği potansiyeller, çözücünün kafese elektron bağışlama ya da ondan kabul etme derecesine bağlıdır. Bu nedenle, C60 fulleren iyi oksitleyici özelliklere sahiptir ve temas ettiği diğer malzemeleri kolayca oksitleyebilir.

Çözünürlük

Çözünürlüklerinin kesin olarak belirlenmesi zordur, kısmen doymuş çözeltiler karanlık ve opak olduğundan, tüm katı fullerenin çözülüp çözülmediğini görmek kolay değildir. Ayrıca, ilginç bir özelliktir ki çözünürlüğün artan sıcaklıkla maksimum olmasıdır. Bununla birlikte, C60 fulleren'in bu açıdan davranışının, sıcaklık / çözünürlük ölçümleri gerçekleştirilmeden önce numunenin çözücü madde içermediğinden emin olup olmadığından emin olunmalıdır. Bu husus hala araştırılmaktadır, ancak örneğin kümelenmenin, pişmiş ve pişmemiş numuneler için kayda değer farklılıklar göstermesi mümkündür. Pişirilmiş numunelerde kümelerin bu şekilde çözülmesine neden olabilir, daha sonra çözeltiler, sıcaklık yükseldikçe kümeler yavaş yavaş parçalanır. Çalışmalarda C60 fullerenin çözünürlükleri belirlenmiş ve sonuçlar yıllar boyunca tartışılmıştır. C60 fullerenin çözünürlüğünü evrensel olarak açıklayan bir çözücü parametresinin olmadığı sonucuna varılmıştır. Çözücü moleküler boyutundaki artışla çözünürlükte bir artış var gibi görünmektedir, ancak çözücünün elektron verici yetenekleri ile herhangi bir korelasyon bulunmamaktadır.

Fulleren pazarındaki büyümenin 7 nedeni hakkında bilgi almak için blog yazımızı ziyaret edin.

C60 Fulleren Üretim Yöntemleri

C60 fullerenleri yapmak için üç yöntem birlikte kullanılır. 

Bunlar;

• Helyum atmosferinde grafit çubukları arasında ark deşarjı yaparak Hufmann-Kratschmer prosedürü uygulamak
• Oksijen kaybı olması durumunda benzenin yanması
• Polycyclic aromatic hidrokarbonların pirolitik yoluyla yoğunlaşması dehidrojenasyon veya dehidrohalojenasyondur.

The Hufmann–Kratschmer Yöntemi

Hufmann-Kratschmer yöntemi fulleren üretimi için en önemli yöntem olmuştur ve tanıtımı fulleren biliminin gerçek başlangıcı olmuştur. Tercih edilen yöntem budur çünkü tek yan ürün, gerekirse çubuklara dönüştürülebilen ve geri dönüştürülebilen grafittir. Hufmann-Kratschmer yöntemi, 100-200 torr helyum atmosferinde 6 mm çapında yüksek saflıkta karbon çubuklar arasında ark deşarjını içerir. Argon da kullanılabilir, ancak daha az etkilidir. Fulleren oluşumu için 2000 ᵒC gereklidir ve çubuklar arasında sıcaklığın düşmesini önlemek için bir miktar boşluk bırakılmalıdır. Bu prosedür ile üretilen fullerene’nin verimi neredeyse %5’dir ve ark kaynağından daha uzak mesafelerde reaktörden alındığında daha yüksektir. Ancak UV ışık altında ilk oluşan fullerenler bozunabilmektedir. Reaktör tasarımında çeşitli varyasyonlar uygulanabilir. Örneğin dönen bir piramit system tasarlanarak otomatik besleyici tasarlanmasıdır. İkinci bir yöntem ise Bezmelnitsyn ve Eletskii tarafından tasarlanmış ve bir reaktör moderatör bloğundan kesilmiş karbon şeritler kullanılmıştır. Bunlardan 24'lük bir yığın (anot), O-ring conta ile donatılmış menteşeli bir kapı ile su soğutmalı bir odaya yerleştirilir. Katot, biriken cürufu çıkarmak için bir kazıyıcıdan geçen karbon tekerleğin yavaşça döndürülmesinden oluşur. Şeritler yerçekimi ile beslenir ve en alt şerit yavaşça katoda sürülür. Tükendiğinde bir sonraki şeridi açığa çıkararak düşer ve işlem, reaktörün uç kapısının açılmasıyla erişilen 100-200 g fulleren içeren ürün elde etmek için 24 saat boyunca devam eder.

Yanma Süreci

Bilim insanları, oksijen eksikliğinde benzenin yanmasının C60 fulleren oluşumu ile sonuçlandığını keşfettiler. Bu sürekli yöntem, Japonya'da yılda 5000 ton üretebilen ancak şu anda bu kapasitenin yaklaşık onda birinde çalışan bir fabrikanın inşa edildiği bilinmektedir. Bu nedenle, bu yatırımın, büyük ölçekli fulleren uygulamalarının ön plana çıktığı beklentisi veya bilgisi ile yönlendirilmesi öngörülmektedir.

Pirolitik Dehidrojenasyon veya Dehidrohalojenasyon ile Polisiklik Aromatik Hidrokarbonların Yoğunlaştırılması

Bu yöntemler fullerenler üretir, ancak pratik uygulamalar için yeterli miktarlarda değildir. Aksine, fulleren sentez mekanizmalarının çıkarılması için bir yol sağlarlar. Örneğin, C60 oktahedral bölgelerde bulunan altı dehidro-naftalin yarımından oluşur ve naftalinin pirolizi gerçekten de (yanma işleminde bir öncü olarak tespit edilen) korannulen gibi C60,7 üretir (7,10-bis) 20 dibromovinil) fluoranen ve 11,12-benzofluoranten. İlgili dehidrojenasyon yüksek enerjili bir işlemdir ve öncüllerin dehidrohalojenasyonu daha başarılıdır, bir özellik bir kloroaromatik öncü maddeden C60 oluşumunda kullanılır. Bu şekilde başka hiçbir fulleren yapılmamıştır.

C60 Fulleren Uygulamaları

Katı C60 fulleren üzerine araştırma hala erken bir aşamada olsa da, bu malzemeler zaten bazı istisnai özellikler göstermeye başlıyor, bazıları pratik uygulamalara yol açabilir. Önce küçük ölçekli uygulamalar gelecektir; daha sonra fullerenlerin özel özelliklerini kullanan uygulamaların izlenmesi beklenmektedir.

1. Optik Uygulamalar

2. Elektrik Uygulamaları

3. Elektrokimyasal Uygulamalar

Sonuç

Grafit hedefin lazerle buharlaştırılmasıyla kümelerin ve moleküler türlerin üretildiği 1980'lerde gaz fazı çalışmalarında, fullerenler için ana karakterizasyon aracı olarak kütle spektroskopisi kullanılmıştır. Beklendiği gibi, C60 fulleren 1985 yılında Robert Curl, Harold Kroto ve Richard Smalley tarafından grafitin lazerle buharlaştırılması kullanılarak keşfedilmiştir. Bu nedenle, neredeyse küre şeklindeki C60 fullerene kapalı kafese benzer yapısı ve özellikleri nedeniyle de son yıllarda büyük ilgi görmüştür ve görmeye devam edecektir.

Daha fazlası için blog yazılarımızı buradan inceleyebilirsiniz.

Referanslar

1. Nanografi.com/C60-Fullerene

2. E.W. Godly and R. Taylor, Pure Appl. Chem., 1997, 69, 1411; (b) E.W. Godly and R. Taylor, Fullerene Science and Technology, 1997, 5, 1667.

3. P.W. Fowler and D.E. Manolopoulos, Atlas of Fullerenes, Clarendon Press, Oxford, 1995.

4. L.D. Lamb, in The Chemistry of Fullerenes, R. Taylor (ed), World Scientific, Singapore, 1995, 20–30.

5. Hirsch, The Chemistry of the Fullerenes, Thieme, Stuttgart, 1994; F. Diederich, L. Isaacs and D. Philp, Chem. Soc. Rev., 1994, 23, 243; R. Taylor, The Chemistry of Fullerenes, World Scientific, Singapore, 1995; M.Prato, J. Mater. Chem., 1997, 7, 1097.

6. M.s. Dresselhaus-G. Dresselhaus-P.c. Eklund,Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, 1996.