درآمدی بر فولرین ها

در این مقاله, مواردی همچون روشهای تولید, خواص و کارکردی سازی فولرینها مورد بحث قرار میگیرد

اولین فولرین كشف‌شده باكی‌بال بود، كه به علت شباهت با گنبد ژئودزی آرشیتكت معروف باكمینستر فولر، باكمینستر فولرین نیز خوانده می‌شد. این ماده را ریچارد اسمالی، رابرت كرل و هاری كروتو در سال ۱۹۸۵ در دانشگاه رایسِ هوستون، خلق كردند. این افراد به خاطر اكتشافشان در جایزه نوبلِ ۱۹۹۶ با یكدیگر شریك شدند.

باكی‌بال مولكولی از ۶۰ اتم كربن (C۶۰) به شكل یك توپ فوتبال است، كه به صورت شش‌ضلعی‌ها و پنج‌ضلعی‌های به‌هم پیوسته‌ای آرایش یافته‌اند. در اندك‌زمانی، فولرین‌های دیگری كشف شدند كه از ۲۸ تا چندصد اتم كربن داشتند. با این حال C۶۰ ارزان‌ترین و سهل‌الوصول‌ترین آنهاست و فولرین‌های بزرگ‌تر هزینه بسیار بیشتری دارند. لغت فولرین كل مجموعه مولكول‌های توخالی كربنی را كه دارای ساختار پنج‌ضلعی و شش‌ضلعی می‌باشند، پوشش می‌دهد.

نانولوله‌های كربنی- كه از لوله‌‌شدن صفحات گرافیتی با آرایش شش‌ضلعی ساخته می‌شوند- در صورت بسته‌بودن انتهایشان، خویشاوند نزدیك فولرین به حساب می‌آیند. در واقع آنها به مثابه فولرین‌هایی می‌باشند كه با قراردادن كربن در نصف‌النهارشان به صورت لوله درآمده‌اند. با این حال در اینجا لفظ فولرین‌ها دربرگیرنده نانولوله‌ها نیست.

روش‌های تولید

درواقع فولرین‌ها به مقدار اندكی در طبیعت، در حین آتش‌سوزی و صاعقه‌زدگی پدید می‌آیند. شواهدی وجود دارد كه انقراض موجودات دورة پرمین در ۲۵۰ میلیون سال پیش، حاصل برخورد یك شیء حاوی باكی‌بال‌ها بوده است. با این حال فولرین‌ها اولین‌بار در دودة حاصل از تبخیر لیزری گرافیت كشف شدند. اولین فرآیند تولید انبوه، روش تخلیة قوس الكتریكی (یا كراچر- هوفمن) بود، كه در سال ۱۹۹۰ با استفاده از الكترودهای گرافیتی توسعه‌یافت. در این فرآیند بیشتر C۶۰ و C۷۰تشكیل می‌شود. اما می‌توان با تغییراتی مثل استفاده از الكترودهای متخلخل‌تر به فولرین‌های بالاتر نیز دست یافت. با استفاده از حلال‌هایی همچون تولوئن می‌توان بهC۶۰ با خلوص تقریباً ۱۰۰% دست یافت.

اندكی بعد، گروهی درمؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) شروع به تولید C۶۰ در شعله بنزن كردند. از پیرولیزِ[۱] تركیبات آروماتیك بسیاری برای تولید فولرین‌ها استفاده شد. ثابت شده كه روش‌هایی همچون اسپاترینگ و تبخیر با پرتو الكترونی (روی گرافیت)، موجب افزایش بازده تولید فولرین‌های بالاتری همچون C۷۸, C۷۶, C۷۰ و C۸۴ می‌شود. دانشگاه كالیفرنیا در لوس آنجلس (UCLA) در این زمینه اختراعاتی را به ثبت رسانده است.

خواص فولرین ها

باکی‌بال‌‌ها از نظر فیزیکی مولکول‌هایی بیش از حد، قوی هستند و قادرند فشارهای بسیار زیاد را تحمل کنند، به طوری كه پس از تحمل ۳۰۰۰ اتمسفر فشار به شکل اولیه خود برمی‌گردند. به نظر می‌رسد استحکام فیزیکی آنها در بخش مواد دارای توان بالقوه‌ای باشد. با این حال آنها مثل نانولو‌له‌ها به جای پیوند شیمیایی، با نیروهای بسیار ضعیف‌تری (نیروهای واندروالس) به هم می‌چسبند، که مشابه نیروهای نگهدارندة لایه‌های گرافیت است. این مسأله موجب می‌شود باکی‌بال‌‌ها مثل گرافیت دارای قابلیت روان‌کنندگی شوند؛ هر چند این مولکول‌ها به دلیل چسبیدن به شکاف‌ها برای بسیاری از کاربردها خیلی کوچکند. باکی‌بال‌‌های چند پوسته موسوم به نانوپیازها (Nanonion)، بزرگ‌ترند و قابلیت بیشتری برای استفاده به عنوان روان‌کننده دارند. روش خلق آنها با خلوص بسیار بالا از طریق قوس الکتریکی زیرآبی در دسامبر ۲۰۰۱ توسط گروهی از دانشگاه کمبریج در انگلستان و مؤسسة هیمجی در ژاپن ارائه شد.اینکه باکی‌بال‌‌ها به خوبی به یکدیگر نمی‌چسبند، به این معنا نیست که در جامدات دیگر کاربرد ندارند. وارد‌کردن مقادیر نسبتاً اندک از آنها در یک زمینة پلیمری، موقعیتی برای آنها به وجود می‌آورد كه بخشی از استحکام بالا و دانستیة پایین آنها را به مادة حاصل می‌بخشد. تحقیقاتی روی کاهش لغزندگی باکی‌بال‌‌ها انجام شده است. کمی قبل از روش فوق‌الذکر برای تولید نانوپیازها، لارس هولتمن و همکارانش از دانشگاه لینکوپینگ در سوئد برخی از اتم‌های کربن باکی‌بال‌ را با نیتروژن جایگزین کرده، موجب پیوند آنها با هم، به صورت ماده‌ای سخت اما الاستیک شدند. این باکی‌بال‌‌های اصلاح شده نیز پوسته‌هایی را روی خود شکل داده و به همین علت آنها نیز نانوپیاز خوانده می‌شوند.فولرین‌ها و مواد مربوطه توانمندی بالایی در كاتالیزگری دارند. گروهی در مؤسسة فریتزهابر در برلین از باكی‌پیازها (باكی‌بال‌های چندلایه) در فرآیند مهم تبدیل اتیل بنزن به استایرن استفاده كرده‌اند. حداكثر راندمان راهكارهای موجود ۵۰% است، اما این محققان در تجربیات اولیه خود به راندمان ۶۲% رسیده و انتظار بیشتر از آن را هم دارند. با این حال به نظر می‌رسد خود باكی‌پیازها در حین واكنش مقداری از نظم ساختاری خود را از دست بدهند (Angewandte Chemie International Edition, ۴۱, ۱۸۸۵-۱۸۸۸). international SRI نیز متوجه خواص كاتالیزوری فولرین‌ها و مواد وابسته به آنها از جمله دودة حاصل‌شده در حین روش‌های قوس الكتریكی و احتراق شده است. این دوده حاوی انواع اشكال كربن است، كه ممكن است تاحدی ساختار شش‌ و پنج‌ضلعی فولرین را داشته باشند، اما بخش‌های باز‌شده‌ای هم جهت كاركردهایی به عنوان یك كاتالیزور داشته باشند. از این دوده می‌توان برای هیدروژناسیون یا د‌هیدروژناسیون آروماتیك‌ها، اصلاح روغن‌های سنگین و تبدیل متان به هیدروكربن‌های بالاتر در فرآیندهای پیرولیتیك یا رفرمینگ استفاده كرد. فولرین‌ها خواص الكتریكی جالبی دارند و به همین دلیل كاربردهای متعددی، از قطعات ذخیرة داده تا پیل‌های خورشیدی برای آنها پیشنهاد شده است. محققان Virginia Tech از لایه‌های آلی انعطاف‌پذیر استفاده كرده‌اند. در حال حاضر كارآیی این پیل‌ها یك‌پنجم پیل‌های فوتوولتائیك سیلیكونی مرسوم است (حدود ۴-۳% در مقایسه با ۲۰-۱۵% پیل‌های خورشیدی مرسوم)، اما محققان امیدوارند با كنترل بهتر نانوساختارها به كاركرد قطعات سیلیكونی یا حتی فراتر از آن دست یابند. از خواص الكتریكی فولرین‌ها می‌توان استفاده‌های بالقوه‌ای نیز در آشكارسازهای نوری اشعه ایكس نمود، كه كارهای Siemens از آن جمله است. یك استفادة دیگر از خواص الكتریكی فولرین‌ها در پیل‌های سوختی است. سونی از آنها برای جایگزینی مولكول‌های بزرگ پلیمر در غشاهای الكترولیتی پیل‌های سوختی متانولی (جهت مصارف الكترونیكی شخصی) سود جسته است. نتیجة كار یك پیل سوختی بوده است كه در دماهای پایین‌تر از نمونه‌های دارای غشای پلیمری كار می‌كند. سونی معتقد است این پیل سوختی می‌تواند ارزان‌تر هم تمام شود. سونی از فولرین‌ها در پیل‌های سوختی هیدروژنی هم استفاده كرده است تا از قابلیت‌ آنها در انتقال پروتون بهره‌برداری كند (غشاهای تبادل پروتون اساس این پیل‌های سوختی می‌باشند).

---