Fullereni

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Strutture molecolari di fullereni di tipo "buckyball" (a sinistra) e "buckytube" (a destra). Strutture molecolari di fullereni di tipo "buckyball" (a sinistra) e "buckytube" (a destra).
Strutture molecolari di fullereni di tipo "buckyball" (a sinistra) e "buckytube" (a destra).

I fullereni costituiscono una classe di sostanze allotropi molecolari del carbonio. Le molecole di fullerene, costituite interamente di carbonio, assumono una forma simile a una sfera cava, di un ellissoide o di un tubolare. I fullereni di forma simile a una sfera o a un ellissoide sono chiamati buckyball, mentre quelli di forma tubolare sono chiamati buckytube (o nanotubi di carbonio).

I fullereni sono strutturalmente simili alla grafite, la quale si costituisce di anelli esagonali collegati tra loro su un piano, ma si differenziano per alcuni anelli di forma pentagonale (o a volte ettagonale) che impediscono una struttura planare.

Il più piccolo e il più diffuso fullerene in cui nessuna coppia di pentagoni condivide un bordo (risultando altrimenti destabilizzante) è il buckminsterfullerene. La struttura del buckminsterfullerene è quella di un icosaedro troncato, che assomiglia a un pallone da calcio, costituito da esagoni e pentagoni, ai cui vertici si posiziona ciascun atomo di carbonio e i cui bordi rappresentano i legami. Il nome di tale fullerene fa riferimento alla somiglianza con le cupole geodetiche predilette dall'architetto Richard Buckminster Fuller.

Somiglianza tra la struttura molecolare del buckminsterfullerene (a sinistra) e una cupola geodetica (a destra) Somiglianza tra la struttura molecolare del buckminsterfullerene (a sinistra) e una cupola geodetica (a destra)
Somiglianza tra la struttura molecolare del buckminsterfullerene (a sinistra) e una cupola geodetica (a destra)

Un nanotubo di carbonio single-walled (a parete singola) polimerizzato (P-SWNT) è una sostanza costituita da fullereni polimerizzati in cui gli atomi di carbonio di buckytube diversi sono legati tra di loro.

Alcune molecole di fullerene sono in piuttosto stabili a temperatura e pressione ambiente, nonostante siano energeticamente sfavorite rispetto ad altri allotropi del carbonio, quali la grafite e il diamante[1]. La definizione di stabilità non può però essere attribuita a tutta la categoria; alle molecole più stabili (come il C60), si accompagnano una miriade di altre, (spesso considerate come "inquinanti" in produzione), a struttura più labile, o del tutto instabile. È più corretto definire la stabilità di ogni fullerene.

Previsioni e scoperte[modifica | modifica wikitesto]

Fino al tardo XX secolo, la grafite e il diamante erano gli unici allotropi conosciuti del carbonio. In seguito, durante gli esperimenti con fasci molecolari, si osservarono molecole contenenti 60, 70 o più atomi di carbonio. Harold Kroto, dall'University of Sussex, James Heath, Sean O'Brien, Robert Curl e Richard Smalley, dalla Rice University, scoprirono il C60 e gli altri fullereni nel 1985. Kroto, Curl e Smalley hanno ricevuto il premio Nobel per la chimica nel 1996, per il loro ruolo nella scoperta di questa categoria di sostanze. Il C60 e altri fullereni furono successivamente notati in ambienti fuori dai laboratori (ad esempio nella fuliggine delle candele). Nel 1991 Donald Huffman e Wolfgang Krätschmer misero a punto delle particolari tecniche che facilitarono la produzione della polvere di fullerene. Il prezzo dei fullereni rimase comunque alto a causa della difficoltà incontrate durante la loro purificazione.

Dal 1999 il fisico austriaco Anton Zeilinger ha cominciato una serie di esperimenti con molecole di fullerene C60 e C70, arrivando a dimostrare sperimentalmente che con tali molecole è possibile l'interferenza quantistica "alla Young".

Nell'aprile del 2003, i fullereni sono stati studiati per un loro potenziale uso medicinale (legando specifici antibiotici alla loro struttura per mirare a battere le resistenze dei batteri o perfino per colpire cellule del cancro come il melanoma).

Nel 2010, per la prima volta, sono stati individuati fullereni nello spazio, grazie al telescopio spaziale Spitzer della NASA. La loro presenza nello spazio cosmico si ipotizzava sin dagli anni settanta, ma ricerche precedenti avevano fallito nella loro identificazione. Gli scienziati dell'Università del Western Ontario li hanno individuati in una nebulosa planetaria chiamata Tc 1, a 6.500 anni luce dalla Terra.[2]

Proprietà[modifica | modifica wikitesto]

A partire dal 2000, sono state indagate le proprietà chimico-fisiche dei fullereni, sia nei laboratori di ricerca puri sia applicati.

Il fullerene non è molto reattivo data la stabilità dei legami simili a quelli della grafite ed è inoltre ragionevolmente insolubile nella maggioranza dei solventi. I ricercatori hanno potuto aumentare la reattività fissando dei gruppi attivi alla superficie del fullerene.

La fullerite non esibisce il fenomeno della "superaromatizzazione": cioè gli elettroni negli anelli esagonali non si delocalizzano all'interno dell'intera molecola. Altri atomi possono essere bloccati all'interno dei fullereni e una recente prova ha datato gli effetti di una meteora alla conclusione del periodo permiano (tarda era paleozoica). Questo fu reso possibile analizzando i gas nobili conservati nella struttura del fullerene.

In nanotecnologia, la resistenza termica e la superconduttività dei fullereni sono alcune delle proprietà più studiate.

Produzione dei fullereni[modifica | modifica wikitesto]

Un metodo tradizionalmente impiegato per produrre i fullereni si realizza nella creazione di un arco elettrico, a circa 5300 K, con una corrente elevata e bassa tensione, utilizzando elettrodi in grafite in atmosfera inerte (argon) a bassa pressione. Dall'arco il carbonio si raffredda in un residuo fuligginoso, da cui possono essere isolati, in bassa percentuale, i fullereni. Tale sistema è molto costoso, data l'elevata energia che va utilizzata, la bassissima resa in fullereni stabili rispetto ai frammenti ed al carbonio amorfo, la elevata quantità di solventi organici necessari per isolare i fullereni, e inoltre il fatto che la grafite debba essere di elevata purezza e di alta conducibilità elettrica, quindi molto costosa. Inoltre gli apparecchi produttivi non sono "scalabili", aumentando la dimensione degli elettrodi la resa proporzionale diminuisce.

Recentemente si è realizzato un sistema molto promettente e molto più economico che utilizza pressioni e atmosfere analoghe, e come fonte energetica è usata la luce solare concentrata a temperature leggermente inferiori all'arco (circa 3.700 K), su comuni cilindri di grafite. In questo caso l'impianto è risultato maggiormente scalabile, la resa in fullereni noti (soprattutto C60) è superiore, si ha minore uso di solventi, e con nessun consumo energetico di potenza; è solo necessaria poca energia elettrica a bassa potenza per i sistemi di controllo. In questo caso inoltre la grafite non deve essere conduttrice o di qualità particolare, e quindi è molto meno costosa. Unica prescrizione di rilievo, in tal caso, è l'utilizzo di eccellenti sistemi di collimazione della luce, che peraltro già esistono.

La tossicità dei fullereni[modifica | modifica wikitesto]

I fullereni sono fortemente indiziati di tossicità e di azione lesiva fisica, in termini di promozione di neoplasie, soprattutto nel caso dei nanotubi di carbonio, e dei numerosi frammenti che si sviluppano nella produzione disordinata delle varie strutture in miscela; alcune di queste strutture sono manifestamente labili. I fullereni per pericolosità sono stati paragonati come analoghi all'amianto.

Data la novità dell'argomento occorre considerare i composti con molta cautela, soprattutto da parte dei ricercatori che possono venire a contatto con queste sostanze. Sono in atto studi per definire l'entità del problema.

I fullereni in matematica[modifica | modifica wikitesto]

Le strutture molecolari dei fullereni corrispondono a dei poliedri convessi trivalenti con facce esagonali e pentagonali.

Il più piccolo fullerene è il C20, il dodecaedro. Non ci sono fullereni con 22 vertici. Il numero di fullerene C2n si sviluppa velocemente con l'aumento di n = 12, 13, ..
Per esempio, ci sono 1812 fullereni non-isomorfici C60 ma soltanto uno di essi, il buckminsterfullerene, non ha accoppiamento di pentagoni adiacenti.

I fullereni nell'arte[modifica | modifica wikitesto]

La scultura Realtà Quantistica (Grande Buckyball Intorno ad Alberi) (2007) del diametro di 9 m realizzata dall'ex fisico Julian Voss-Andreae.

Julian Voss-Andreae, fisico diventato artista, ha creato svariate sculture che simboleggiano la dualità onda-particella nei Buckminsterfullereni.[3] Voss-Andreae ha partecipato nella ricerca che ha dimostrato che anche oggetti grandi come i Buckminsterfullereni obbediscono alle leggi peculiari della fisica quantistica.[4] Dopo di questo, Voss-Andreae ha cambiato carriera per diventare un artista a tempo pieno. Da quel momento ha creato oggetti come una struttura in bronzo di 60 cm di diametro chiamata "Quantum Buckyball" (2004) che consiste in quattro buckyball una dentro l'altra. La sua più grande scultura ispirata ad un fullerene è situata nel Tryon Creek State Park in Oregon (USA). "Quantum Reality (Large Buckyball Around Trees)" (2006) è una struttura in acciaio di nove metri di diametro che abbraccia due alberi di acero.

I fullereni sono un elemento ricorrente anche nella fantascienza. Ad esempio nel racconto di Stel Pavlou, Il codice di Atlantide (2001), le buckyball, la nanotecnologia e la teoria della complessità vengono usate per creare dei nano-sciami che si uniscono per formare dei golem grandi come uomini. Il C60 è l'elemento base costruttivo della città perduta di Atlantide. Nella serie televisiva Andromeda, i fullereni sono un materiale comune, usato per costruire oggetti molto resistenti, come lo scafo delle astronavi e armature per il corpo. Inoltre, al posto dei raggi traenti le astronavi usano dei buckycavi per catturare e tirare a sé le altre navi.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ (EN) A. S. Barnard, S. P. Russo, e I. K. Snook, Size dependent phase stability of carbon nanoparticles: Nanodiamond versus fullerenes in J. Chem. Phys., vol. 118, 2003, pp. 5094-5098, DOI:10.1063/1.1545450.
  2. ^ Le Scienze, settembre, 2010.
  3. ^ Edwin Cartlidge, Once a physicist: Julian Voss-Andreae in Physics World, novembre 1999, p. 44.
  4. ^ Markus Arndt, O. Nairz, J. Voss-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw, A. Zeilinger, Wave-particle duality of C60 in Nature, vol. 401, nº 6754, 14 ottobre 1999, pp. 680–682, DOI:10.1038/44348, PMID 18494170.

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