تحقیق مقاله فولرین ها

اولین فولرین کشف‌شده باکی‌بال بود، که به علت شباهت با گنبد ژئودزی آرشیتکت معروف باکمینستر فولر، باکمینستر فولرین نیز خوانده می‌شد. این ماده را ریچارد اسمالی، رابرت کرل و هاری کروتو در سال 1985 در دانشگاه رایسِ هوستون، خلق کردند. این افراد به خاطر اکتشافشان در جایزه نوبلِ 1996 با یکدیگر شریک شدند.

باکی‌بال مولکولی از 60 اتم کربن (C60) به شکل یک توپ فوتبال است، که به صورت شش‌ضلعی‌ها و پنج‌ضلعی‌های به‌هم پیوسته‌ای آرایش یافته‌اند.

در اندک‌زمانی، فولرین‌های دیگری کشف شدند که از 28 تا چندصد اتم کربن داشتند. با این حال C60 ارزان‌ترین و سهل‌الوصول‌ترین آنهاست و فولرین‌های بزرگ‌تر هزینه بسیار بیشتری دارند. لغت فولرین کل مجموعه مولکول‌های توخالی کربنی را که دارای ساختار پنج‌ضلعی و شش‌ضلعی می‌باشند، پوشش می‌دهد.

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

روش‌های تولید

درواقع فولرین‌ها به مقدار اندکی در طبیعت، در حین آتش‌سوزی و صاعقه‌زدگی پدید می‌آیند. شواهدی وجود دارد که انقراض موجودات دوره پرمین در 250 میلیون سال پیش، حاصل برخورد یک شیء حاوی باکی‌بال‌ها بوده است. با این حال فولرین‌ها اولین‌بار در دوده حاصل از تبخیر لیزری گرافیت کشف شدند.

اولین فرآیند تولید انبوه، روش تخلیه قوس الکتریکی (یا کراچر- هوفمن) بود، که در سال 1990 با استفاده از الکترودهای گرافیتی توسعه‌یافت. در این فرآیند بیشتر C60 و C70تشکیل می‌شود. اما می‌توان با تغییراتی مثل استفاده از الکترودهای متخلخل‌تر به فولرین‌های بالاتر نیز دست یافت. با استفاده از حلال‌هایی همچون تولوئن می‌توان بهC60 با خلوص تقریباً 100% دست یافت.

اندکی بعد، گروهی درمؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) شروع به تولید C60 در شعله بنزن کردند. از پیرولیزِ[1] ترکیبات آروماتیک بسیاری برای تولید فولرین‌ها استفاده شد.

ثابت شده که روش‌هایی همچون اسپاترینگ و تبخیر با پرتو الکترونی (روی گرافیت)، موجب افزایش بازده تولید فولرین‌های بالاتری همچون C78, C76, C70 و C84 می‌شود. دانشگاه کالیفرنیا 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 که پس از تحمل 3000 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 نگهدارنده 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 نانو پیازها (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 2001 توسط گروهی از دانشگاه کمبریج در انگلستان و مؤسسه 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 زمینه پلیمری، موقعیتی برای آنها به وجود می‌آورد که بخشی از استحکام بالا و دانستیه پایین آنها را به ماده 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 کاتالیزگری دارند. گروهی در مؤسسه فریتزهابر در برلین از باکی‌پیازها (باکی‌بال‌های چندلایه) در فرآیند مهم تبدیل اتیل بنزن به استایرن استفاده کرده‌اند. حداکثر راندمان راهکارهای موجود 50% است، اما این محققان در تجربیات اولیه خود به راندمان 62% رسیده و انتظار بیشتر از آن را هم دارند. با این حال به نظر می‌رسد خود باکی‌پیازها در حین واکنش مقداری از نظم ساختاری خود را از دست بدهند (Angewandte Chemie International Edition, 41, 1885-1888).

international SRI نیز متوجه خواص کاتالیزوری فولرین‌ها و مواد وابسته به آنها از جمله دوده حاصل‌شده در حین روش‌های قوس الکتریکی و احتراق شده است. این دوده حاوی انواع اشکال کربن است، که ممکن است تاحدی ساختار شش‌ و پنج‌ضلعی فولرین را داشته باشند، اما بخش‌های باز‌شده‌ای هم جهت کارکردهایی به عنوان یک کاتالیزور داشته باشند. از این دوده می‌توان برای هیدروژناسیون یا د‌هیدروژناسیون آروماتیک‌ها، اصلاح روغن‌های سنگین و تبدیل متان به هیدروکربن‌های بالاتر در فرآیندهای پیرولیتیک یا رفرمینگ استفاده کرد.

فولرین‌ها خواص الکتریکی جالبی دارند و به همین دلیل کاربردهای متعددی، از قطعات ذخیره داده تا پیل‌های خورشیدی برای آنها پیشنهاد شده است. محققان Virginia Tech از لایه‌های آلی انعطاف‌پذیر استفاده کرده‌اند. در حال حاضر کارآیی این پیل‌ها یک‌پنجم پیل‌های فوتوولتائیک سیلیکونی مرسوم است (حدود 4-3% در مقایسه با 20-15% پیل‌های خورشیدی مرسوم)، اما محققان امیدوارند با کنترل بهتر نانوساختارها به کارکرد قطعات سیلیکونی یا حتی فراتر از آن دست یابند.

از خواص الکتریکی فولرین‌ها می‌توان استفاده‌های بالقوه‌ای نیز در آشکارسازهای نوری اشعه ایکس نمود، که کارهای Siemens از آن جمله است.

یک استفاده دیگر از خواص الکتریکی فولرین‌ها در پیل‌های سوختی است. سونی از آنها برای جایگزینی مولکول‌های بزرگ پلیمر در غشاهای الکترولیتی پیل‌های سوختی متانولی (جهت مصارف الکترونیکی شخصی) سود جسته است. نتیجه کار یک پیل سوختی بوده است که در دماهای پایین‌تر از نمونه‌های دارای غشای پلیمری کار می‌کند. سونی معتقد است این پیل سوختی می‌تواند ارزان‌تر هم تمام شود. سونی از فولرین‌ها در پیل‌های سوختی هیدروژنی هم استفاده کرده است تا از قابلیت‌ آنها در انتقال پروتون بهره‌برداری کند (غشاهای تبادل پروتون اساس این پیل‌های سوختی می‌باشند).

فولرین‌ها درون نانولوله‌ها نیز قرار داده شده‌اند تا چیزی به نام غلاف نخود[2] پدید آید. اولین کار از این دست در اوایل 2002 در جنوب کره (دانشگاه ملی سئول) و آمریکا (دانشگاه پنسیلوانیا در فیلادلفیا) به ترتیب با استفاده از C82 و C60 صورت گرفت. فولرین‌ها رفتار الکتریکی نانولوله‌ها را تغییر داده، مناطقی با خواص نیمه‌رسانایی مختلف را پدید می‌آورند. نتیجه می‌تواند مجموعه‌ای از ترانزیستورهای پشت سرهم در یک نانولوله باشد. با تغییر مکان فولرین‌ها می‌توان این خواص را تغییر داد و حتی محققان دانشگاه ایالتی میشیگان پیشنهاد استفاده از آنها برای خلق قطعات حافظه را داده‌اند. با این حال چنین راهکاری بسیار دور از کاربرد است (راهکارهای رقیب بسیاری در نانوالکترونیک و حافظه وجود دارند).

"شبیه‌سازی کامپیوتری یک عنصر حافظه مبتنی بر نانولوله. نانولوله دربرگیرنده یک مولکول C60 است. C60 به دلیل حمل یک اتم قلیایی در قفس خود حاوی یک بار شبکه‌ای است. با اعمال میدان الکتریکی می‌توان فولرین را بین دو سر این" "کپسول جابه‌جا کرد. دو کمینه انرژی این سیستم در هنگام اتصال C60 به دوسر کپسول است، که از آن می‌توان به بیت0 و بیت 1 استناد نمود. باتشکر از دیوید تومانک، دانشگاه ایالتی‌ میشیگان"

"http://www.pa.msu.edu/~tomanek"

مواد مبتنی بر فولرین‌ها مصارف مهمی در قطعات فوتونیک دارند (فوتونیک معادل الکترونیک است با این تفاوت که در آن از نور به جای الکتریسیته استفاده می‌شود). فولرین‌ها یک پاسخ نوری (تغییر خواص نوری در هنگام تابش نور) بسیار بزرگ را از خود نشان داده‌اند و ممکن است برای مصارف مخابراتی مناسب باشند. خواص نوری غیرخطی را می‌توان با افزایش یک یا چند اتم فلزی در بیرون یا درون قفس فولرین‌ها ارتقا داد.

فولرین‌ها همچنین در نابودی رادیکال‌های آزاد- که باعث آسیب بافت‌های زنده می‌شوند- مفیدند. لذا پیشنهاد شده است از آنها در مواد آرایشی جهت حفاظت پوست یا در درمان آسیب‌های عصبی ناشی از رادیکال‌ها- که نتایج آزمایش‌های آنها در خرگوش‌ها موفقیت‌آمیز بوده است- استفاده شود.

C60 هم‌اندازه بسیاری از مولکول‌های دارای فعالیت زیستی، همچون داروی پروزاک و هورمون‌های استروئیدی است. لذا سنگ بنای مناسبی برای واریانت‌های دارای فعالیت زیستی به شمار می‌رود. باکی‌بال‌ها کنشگریِ فیزیکی و شیمیایی بالایی نسبت به مکان فعال یک آنزیم مهم HIV، موسوم به HIV پروتئاز دارند و آن را مسدود می‌کنند. HIV پروتئاز هدف داروهای ضدایدز کنونی است، اما به علت عملکرد مشابه آنها ویروسHIV نسبت به آنها مقاوم شده است. باکی‌بال‌ها، HIV پروتئاز را به اشکال مختلفی هدف می‌‌گیرند و لذا مقاومت فوق‌الذکر نمی‌تواند مانع آن شود.

همان‌طور که پیش‌تر ذکر شد، پتانسیل C60 در حفاظت از اعصاب اثبات شده است و از محفظه‌های ساخته‌شده از آنها می‌توان برای دارورسانی سود جست. به مصارف باکی‌بال‌های حاوی اتم‌های محبوس‌شده – موسوم به فولرین‌های درون‌وجهی- بعداً اشاره خواهد شد.