Fullerenes. Fullerene C 60

Transkript

1 Fullerene C 60

2 Discovery of fullerenes Diffuse absorption bands (DIBs) Broad absorption bands that occur between wavelengths of 440 to 685 nanometers in the spectra of distant stars and are due to the absorption of light by material in the interstellar medium. Over 100 DIBs are known and a variety of complex molecules have been suggested, thoughnot conclusively identified, as their cause, including PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons) and fullerenes. The discovery of the diffuse absorption bands (DIBs) dates back to the early '30s, but, although their interstellar origin was readily established, no physical mechanism has yet provide to give a satisfactory answer. High resolution (R ~ 80,000) observations of several DIBs failed to show any fine structure which might be attributed to a molecular origin of the absorption. The polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and the fullerenes have been proposed as attractive candidates as carriers of the DIBs. 1. Herbig, G.. "The Diffuse Interstellar Bands," Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 33, 359 (1995).

3 Discovery of fullerenes Diffuse absorption bands

4 Discovery of fullerenes Clusters Během druhé poloviny dvacátého století dospěla experimentální fyzika k metodám, které umožňují sledovat strukturu hmoty až na úroveň atomů. Nové experimentální metody však umožnily i studium objektů, o kterých si dříve mohli nechat fyzikové a chemici jenom zdát. Objekty, které vznikají neustálým dělením tuhé látky (kovu, slitiny, keramiky i grafitu) bychom se dostali až ke strukturám, které by obsahovaly dva až několik stovek atomů. Tyto objekty, které reprezentují shluky atomů, dostaly označení klastry ( z ang. clusters). první klastry byly vyráběny v peci, kde byl kovový materiál roztaven a jeho páry kondenzovaly ve formě klastrů tato metoda se ale nedala použít u kovů s vyšší teplotou tavení a varu, o keramice a grafitu ani nemluvě zatím nejlepší postup přípravy klastrů byl vyvinut roku 1981 a spočívá v odpařování tuhé látky pomocí laseru. V místě vystaveném zaostřenému záření laseru dosahuje teplota hodnoty řádově C, což stačí k vypaření každého dosud známého materiálu. Touto metodou lze tedy vyrábět klastry o velikosti až stovek atomů prakticky z jakékoliv látky

5 Discovery of fullerenes Clusters Světlo emitované impulsním laserem je zaostřeno na materiál, ze kterého chceme vyrábět klastry. Ten má obvykle tvar tyče nebo disku a je umístěn v kanálku. Nejdříve se na krátkou dobu otevře plynový ventil, který vpustí do kanálku prudký proud helia. Hned potom je materiál ozářen laserovým světlem, při čemž se určité množství materiálu vypaří a vytvoří se plasma o vysoké teplotě. Proudem helia je plasma ochlazena, kondenzuje a vytváří klastry různých velikostí. Plyn unášející klastry proudí tryskou do evakuované komory, kde nadzvukovou rychlostí expanduje a ochlazuje se na teplotu blízkou absolutní nule. Nízkou teplotou jsou klastry stabilizovány pro další studium. Otvorem v protější stěně komory vychází proud plynu s klastry a vstupuje do hmotnostního spektrometru. Hmotnostní spektrometr slouží ke změření četnosti klastrů a v závislosti na hmotnosti a tedy i na počtu, případně druhu atomů v nich obsažených. Hmotnostní spektrometr pracuje tak, že ultrafialové záření laseru ionizuje klastry, které pak mohou být urychlen y elektrickým polem známé intenzity. Urychlené klastry pak letí dlouhou trubicí,na jejímž konci jsou detekovány. Z doby potřebné k průletu trubicí lze zjistit hmotnost klastru.

6 Discovery of fullerenes Clusters

7 Discovery of fullerenes Hypothetic increase of C 60

8 Discovery of fullerenes FULLERENES - MASS SPECTROSCOPY

9 Structure of fullerenes The first fullerene, the all-carbon molecule buckminsterfullerene (C 60 ) was discovered in 1985 by the Rice/Sussex group; the subject has been amply reviewed.c 60 is remarkably stable as a consequence of its structure; sixty equivalent carbon atoms arranged as a closed hollow cage in the form of a truncated icosahedron (or soccer ball); twelve pentagons and twenty hexagons joined together so that no two pentagons share an edge. The fullerenes represent a pure molecular form of carbon in contrast to the infinite structures of graphite and diamond. They are closed hollowcages comprising exactly twelve pentagons and any number n of hexagons (n # 1) in which eachcarbon atom is approximately sp 2 -hybridised. All the isolable fullerenes known to date also obey the Isolated Pentagon Rule (IPR); i.e., no two pentagons share an edge. The first IPR-fullerene is the archetypal fullerene Zh-Cso (n = 20), more commonly referred to simply as Cm. The second possible member of the IPR-fullerene family is &-C 70 which is the second most abundant fullerene. C 60 is a good electron acceptor and weak oxidant due to its electronic structure which also confers upon it interesting physical and photophysical properties.

10 Structure of fullerenes Neutron rastr scanning

11 Structure of fullerenes 13 C NMR spectroscopy of C 60 Cl 6

12 Structure of fullerenes C 60 C 70 C 76 C 78

13 Structure of fullerenes - several symmetry of C 84 C 84 D2d symmetry C 84 D2 symmetry

14 Structure of fullerenes - pictures

15 Compounds of C 60 C 60 Br 6 C 60 C 5 H 6 C 60 C 5 H 8 C 60 Br 8

16 Fullerite and fulleride The fullerite has been created as superstructure of the spherical molecules of the C60 fullerene. The fullerene molecules are creating the closed packed layer structure in it with the three layered periodicity of the type: ABCABCABC... It is necessary to note, that the two layered periodicity has not been observed to this time. The Three layered structure is creating the face centred cubic structure (FCC) shown on the picture. The other layered superstructure as the hexagonal close packed structure has not been found.

17 Fullerene in meteorites Allende and Murchison meteorite

18 Appplications a) reverzibilní skladování vodíku bylo prokázáno výzkumem v elektrochemii C 60. Hydrogenace ukázala, že C 60 může přijímat vodík až do stechiometrického poměru C 60 H 56. Je snahou tuto překvapující vlastnost v budoucnu používat jako vodíkové palivo pro spalovací motory. b) baterie pro využití v dopravních prostředcích experimentální data ukázala, že baterie na základě hydridů (např. C 60 H 60 a C 60 H 36 ) mohou nabídnout pro dopravní prostředky netoxické lehké baterie s vysokou účinností. Na výzkumu těchto bateriích se intenzivně pracuje. c) maziva potenciální a důležitou aplikací se jeví použití fullerenu jako plnidel do olejů a tuků za účelem snížení tření a tím i opotřebení. Bylo prokázáno, že přidáním prášku, který obsahuje C 60, do oleje je srovnatelné s dobře známým mazadlem jako je grafit a MoS 2. Molekuly C 60 v mazadle působí jako malé aktivní ložiskové kuličky, které usnadňují kluzy vzájemně se pohybujících součástí. d) tuhé palivo pro rakety palivo s užitím fullerenu se již stalo předmětem patentu v USA

19 Appplications e) vysokopevnostní a vysokomodulová vlákna předpokládá se především využití pro kompozity s dlouhými vlákny. Poslední zprávy uvádějí délky získaných tubulenových vláken o délce 30 cm!!!a splétaných do makroskopické příze. Dlouhá vlákna budou používána pro stěžejní konstrukce draků letadel a pro kosmické dopravní prostředky a tos ohledem na jejich dobrý poměr mezi pevností a hmotností a také s ohledem na tuhost a tepelnou odolnost. Výše uvedená vlákna mají lepší vlastnosti, nežv současnosti používaná uhlíková vlákna. Konstrukce draků letadel budou moci býti lehčí a pevnější. f) vodivé polymery dalším úspěchem aplikací tubulenů jsou vodivé polymery, které by v budoucnu mohly nahradit v některých případech vodiče kovové. g) katalyzátory pro dopravní prostředky celá řada vědců, včetně prof. Smalleyho navrhly, že by se prázdné prostory fullerenových molekul mohly vyplnit takovým kovem, který má dobré katalytické vlastnosti. Vznikly by tak katalyzátory, jejichž aktivní povrch by byl chráněn uhlíkovou klecí.

20 Why fullerene? R. Buckminster Fuller - an american architect and philosopher. He designed geodetic dome. Hence, this carboneous clusters was named fullerenes.

21 References [1]David M. Thompson, Jason McLeod, and Michael C. Baird Pure Appl. Chem., Vol. 73, No. 2, pp , 2001 [2]Luann Becker1, Ted E. Bunch2 and Louis J. Allamandola2 Lunar and Planetary Science XXX [3]P. Ehrenfreund and B. H. Foing Adv. Space Res. Vol. 19, No. 7, pp , 1997 [4]A.G. Avent, P.R. Birkett*, C. Christides, J.D. Crane, A.D. Darwish, P.B. Hitchcock, H.W. Kroto, M.F. Meidine, K. Prassides, R. Taylor, D.R.M. Walton Journal of Molecular Structure 325 (1994) 1-l 1 [5]Ing. Jaromír Sodomka, CSc. Fullereny struktura, vlastnosti a perspektivy použití v dopravě, habilitační přednáška