Fulerenele, o a treia forma structural organizata a carbonului?
Hotarât, nu, o data ce fulerenele au structuri si proprietati cu totul neobisnuite pentru specii formate exclusiv din atomi de carbon.
Deosebirea de ordin structural este esentiala: diamantul si grafitul au, ambele, stucturi extinse, notiunea de “molecula” în aceste structuri fiind cu desavârsire exclusa; fulerenele, în schimb, sunt formate din molecule cu existenta discreta, cu forma aproape sferica. De departe cea mai cunoscuta si mai intens studiata este fulerena C60 (cu molecula formata din 60 de atomi de carbon), dar fulerenele C70, C76, C82, C84 - si chiar mai voluminoase - sunt de asemenea cunoscute. Aranjarea atomilor de carbon în aceste molecule este fascinanta în sine, sa luam, drept exemplu, molecula fulerenei C60.
Daca priviti cu atentie, veti observa ca toti atomii de carbon din aceasta dantelarie sunt echivalenti, adica toti au acelasi numar de vecini (3), identic legati, unghiurile dintre legaturile angajate de diferitii atomi fiind si ele identice. Asemanarea cu forma unei mingi de fotbal este izbitoare; atât molecula C60, cât si banala minge de fotbal corespund din punct de vedere geometric unui icosaedru trunchiat; acesta provine, formal, prin “retezarea” vârfurilor unui icosaedru regulat, poliedru cu 20 de fete, toate triunghiuri echilaterale identice; icosaedrul trunchiat va avea 32 de fete, 20 de hexagoane si 12 pentagoane.
Sa trecem însa în revista câteva deosebiri direct observabile între diamant si grafit, pe de o parte, si fulerene, pe de alta parte, raportându-ne, în cazul fulerenelor, la specia C60.
Cu totii stim, bunaoara, ca diamantul, cu structura tridimensionala extinsa, este cristalin, transparent, stralucitor, dur, izolant din punct de vedere electric; grafitul, cu structura bidimensionala extinsa (în straturi) este un solid negru, care cliveaza, conductor electric; atât diamantul, cât si grafitul se topesc (la temperaturi extrem de înalte, peste 3.000oC în cazul diamantului), nefiind afectati de solventi.
Ei bine, la temperatura ambianta C60 este o pulbere galbena, fotosensibila (îsi schimba culoarea sub actiunea radiatiilor UV medii), care se dizolva în banalul toluen formând o solutie roz. Sub actiunea radiatiilor laser polimerizeaza, polimerul nemaifiind solubil în toluen. Efectul variatiilor de temperatura este înca si mai spectaculos: prin încalzire la câteva sute de grade sublimeaza (adica trece direct din stare solida în stare de vapori, în care identitatea moleculara este conservata), distrugerea ansamblurilor moleculare necesitând temperaturi mai mari de 1.000oC. Prin racirea avansata (la temperaturi mai mici decât –183oC), moleculele C60 se organizeaza într-un solid cristalin cu retea cubica.
În forma cristalina, fulerena C60 este un izolator electric, asemenea diamantului. Legaturile dintre moleculele C60 din cristal sunt slabe, iar încalzirea lenta face ca cristalele sa se dezmembreze partial, cu alte cuvinte “sa curga”.
Cu adevarat spectaculoase sunt însa caracteristicile chimice ale fulerenelor, care fac integrarea lor alaturi de diamant si grafit cel putin hazardata. Diamantul si grafitul sunt mai degraba inerte din punct de vedere chimic (reactiile chimice ale carbonului, implicând cu precadere carbunele amorf, exclud prezervarea de ansambluri ordonate de atomi de carbon). Fulerenele însa sunt specii reactive, având tendinta de a acapara electroni, ceea ce le face sa se combine cu usurinta cu parteneri potentiali donori de electroni, la limita, metale electropozitive (alcaline, alcalino-pamântoase sau chiar lanthanide), conservând intacte, în urma acestor reactii, nu doar moleculele de fulerene, ci, în unele cazuri, chiar microcristale.
Care este “pozitia de atac” a fulerenelor în reactiile lor chimice? Sa privim înca o data structura moleculei C60: aceasta “minge” nu este, fireste, compacta; atomii de carbon interconectati formeaza mai degraba un câmp, o structura poroasa, cu cavitati delimitate de atomi vecini. Conceptual, reactiile chimice ale unor astfel de entitati moleculare cu structura poroasa si, totodata, potential acceptoare de electroni la nivel global, pot evolua în doua moduri: partenerul poate fi “legat” în exteriorul moleculei, fiind astfel plasat, în ansamblul compusului, între moleculele de fulerena sau, dimpotriva, poate fi înglobat în interiorul câmpului molecular.
Prima cale este, din punct de vedere practic, relativ mai simpla. S-au obtinut în acest fel compusi cu structuri spectaculoase, ca cea ilustrata mai jos, si, credeti-ma, pentru un chimist potentialul de fascinatie estetica al unei astfel de structuri nu este cu nimic mai prejos decât, bunaoara, irisii lui Van Gogh sau nuferii lui Monet!
Nu mai putin interesanti sunt compusii fulerenelor cu metale alcaline, în special cei cunoscuti sub numele A3C60, în care unei molecule C60 îi corespund trei atomi metalici (în special potasiu sau rubidiu). Interesul pentru acesti compusi depaseste sfera esteticului, întrucât sunt supraconductori la temperaturi cuprinse în intervalul 19-40K, ceea ce, pentru ansamblul supraconductorilor cu schelet organic reprezinta un domeniu de temperaturi deosebit de ridicate, deci de accesibile practic! Proprietatile supraconductoare ale compusilor A3C60 par a-si avea originea în structura lor cristalina dezordonata si, totodata, în interactiuni neobisnuit de puternice între electronii de conductie.
Fulerenele cu parteneri inclusi, numite endoedrice - sau metalofulerene daca partenerii sunt atomi metalici - sunt mult mai dificil de sintetizat. Desi fulerena C60 este cea mai comuna, câmpul (interiorul) acesteia este prea putin voluminos, deci majoritatea endofulerenelor sintetizate pâna în prezent au câmpuri C82, C84 sau chiar mai înalte. Dificultatile de sinteza vizeaza faptul ca este practic imposibil de a insera partenerul în câmpul sferic deja format, câmpul trebuind sa “se înfasoare” în jurul partenerului simultan cu formarea lui; în consecinta, separarea endofulerenelor de reziduurile de carbon este un proces laborios si cu randament mic. Dificultatea de a studia endofulerenele nu se limiteaza însa la problemele ridicate de sinteza. O alta complicatie este aceea ca endofulerenele, în marea lor majoritate, sunt instabile în aer, oxigenul extragând pur si simplu partenerul din câmpul de fulerena. Doar putine elemente s-au dovedit, pâna în prezent, a forma endofulerene stabile, câteva dintre aceste fiind lantanul, itriul, scandiul si unele gaze nobile. Iata de ce studiul endofulerenelor este înca abia la început.
Posibile aplicatii
Deîndata ce existenta fulerenelor a fost dovedita si sinteza lor în laborator a devenit posibila, s-a pus cu acuitate problema posibilelor lor utilizari practice, în forma pura sau în compusi.
Fireste, asa cum se întâmpla în zilele noastre cu fiecare material sau proces nou descoperit, primul domeniu de interes a vizat posibilitatea de a furniza sau stoca energie, în pile solare si baterii, sau chiar drept combustibil de racheta. Desi, teoretic, potentialul energetic al fulerenelor este de necontestat, cheltuielile aferente sintezei lor, cel putin cu tehnologia accesibila în prezent, nu justifica economic aceasta directie de utilizare.
Alte aplicatii practice spectaculoase ale fulerenelor pure ar putea avea, drept punct de plecare, unele dintre proprietatile lor neobisnuite; bunaoara, structura lor poroasa, asociata unor dimensiuni de ordinul nanometrilor, a condus la conceptul de nanotuburi de carbon, care deschid posibilitati imense de aplicare în industrie (una dintre aceste fiind ranforsarea polimerilor). Faptul ca fulerenele pure îsi schimba culoarea la iradiere si-a gasit deja aplicatii în fotolitografie, la obtinerea unor lacuri fotosensibile. Proprietatea lor de a sublima este valorificata în procese de crestere de cristale ca si în depunerea, din vapori de C60, a unor filme subtiri, cu proprietatile diamantului, mult mai netede decât cele obtinute prin solidificarea grafitului de vaporizare. Alte posibilitati, cum ar fi utilizarea fulerenelor ca lubrefianti, urmare a capacitatii cristalelor de a “curge” în anumite intervale de temperatura, nu dovedesc, cel putin la scara industriala, un potential economic satisfacator, o data ce alti lubrefianti, cu performante similare, au preturi de fabricatie semnificativ mai scazute.
Sperantele se îndrepta însa cu precadere spre compusii chimici ai fulerenelor. Supraconductivitatea speciilor A3C60 reprezinta una dintre tinte. Altele vizeaza aplicatiile în medicina; s-a dovedit bunaoara ca moleculele de fulerena au capacitatea, în anumite conditii, de a bloca virusul HIV! O alta aplicatie posibila vizeaza înglobarea, în câmpul fulerenelor, de atomi radioactivi trasori; metalofurenelele astfel rezultate, injectate în sistemul circulator, permit investigatiile necesare si, totodata, organismul este mult mai protejat. Þintele cele mai ambitioase vizeaza însa conceperea unor fulerene capabile de a îngloba în câmpul lor sau chiar de a lega în exteriorul moleculelor substante farmacologic active; o astfel de “pastila” ar putea rezolva una dintre problemele curente ale formularii si administrarii farmacologice: eliberarea extrem de lenta, în organism, a principiilor active.
Daca e sa facem o socoteala negustoreasca, aplicatiile practice ale fulerenelor nu si-au gasit înca adevarata dimensiune comerciala, desi asupra lor au trudit adevarati giganti ai cercetarii stiintifice, în cele mai performante si bogate laboratoare ale lumii. Sa nu fim însa dezabuzati. Se întâmpla extrem de rar ca un nou material sa faca imediat saltul în sfera comerciala; pasii din laborator catre conturi în banca sunt cel mai adesea marunti, uneori sovaielnici, scara de timp cea mai probabila acopera, în majoritatea cazurilor, decenii.
Adevaratul câstig al descoperirii si studiului fulerenelor este mult mai putin prozaic; rezultate atât de spectaculoase, chiar unele fara o aplicabilitate practica rational imaginabila (ceea ce nu este cazul fulerenelor!) nasc întrebari, isca controverse, sfarâma norme îndeobste acceptate. Caci, cu fiecare nou material sau proces care dovedeste, în mod indubitabil si reproductibil, propriul lui sistem de anomalii, de abateri de la “norma”, trebuie sa ne întrebam cât de valabila, cât de acoperitoare este, la urma urmei, norma?! În lumea cercetarii stiintifice, chiar si un aparent esec este un rezultat, semnele de exclamare sunt cu necesitate urmate de semne de întrebare, semnele de întrebare multiplica semnele de exclamare, si tot asa, economistii nu trebuie sa fie îngrijorati, ceva cu adevarat comercializabil tot va iesi pâna la urma si mari concerne industriale vor avea câstiguri uriase! Fireste, în tot acest timp, lumea laboratoarelor va fi foarte, foarte ocupata: semne de întrebare
ma scuzati, am reusit sa il corectez. totul e ok, da?
RăspundețiȘtergere