Fullereny

Fullereny jsou molekuly tvořené atomy uhlíku uspořádanými do vrstvy z pěti- a šestiúhelníků s atomy ve vrcholech, která je prostorově svinuta do uzavřeného tvaru (nejčastěji do tvaru koule nebo elipsoidu). Vzhledem k této struktuře jsou mimořádně odolné vůči vnějším fyzikálním vlivům. V dutině molekuly fullerenu může být uzavřený jiný atom, několik atomů či malá molekula.

Zatím nejstabilnější známý fulleren obsahuje 60 atomů uhlíku.^[1][2]

Fullereny se uměle připravují nejčastěji v elektrickém oblouku s uhlíkatými elektrodami nebo pyrolýzou organických sloučenin v kontrolovaném plameni.

Fullereny byly nazvány po americkém architektovi Buckminsteru Fullerovi, který projektoval geodetické kopule podobného tvaru. Za objev a studium vlastností fullerenů byla v roce 1996 udělena Nobelova cena za chemii Robertu F. Curlovi a Richardu E. Smalleymu a Haroldu W. Krotoovi.^[3] V současné době je výzkum vlastností a metod přípravy fullerenů velmi intenzivně studován na řadě vědeckých institucí po celém světě (v Česku od 80. let^[4] zkoumal průkopník jejich nanotechnologických užití Zdeněk Slanina^[5]).

V roce 1992 předpověděl P. R. Buseck, že fullereny mohou být nalezeny ve fulguritech neboli sklech protavených úderem blesku. O rok později tento předpoklad potvrdil T. K. Dally při výzkumu fulguritu ze Sheep Mountain v Coloradu.

Systematicky byly prozkoumány fullereny až do molekuly obsahující 96 atomů uhlíku. Organická chemie se nejvíce rozvíjí kolem molekul s 60 a 70 atomy. Pro metallofullereny, tedy fullereny, které mají ve své dutině umístěn atom či i několik atomů kovu (La, Ca, Li; ale i He, N – tzv. endohedrální fullereny), se jako základ používají i vyšší molekuly jako třeba C₈₀ či C₈₂. Z fullerenů se odvozují i uhlíkaté nanotrubičky. Ty na jedné straně respektují hlavní topologický rys fullerenů – výstavba z proměnlivého počtu šestiúhelníků a dvanácti pětiúhelníků –, jejich typickým tvarem je ale protažený válec. Vlastní fullereny přitom bývají tvarem poměrně blízké kouli.

Nejnověji se ukazuje možnost připravit i fullereny menší než C₆₀, např. C₃₆, a molekuly tvaru fullerenů složené i z jiných prvků než z uhlíku. Tzv. BN-fullereny například obsahují pouze bór a dusík.

Pevné krystalické formy fullerenů se nazývají fullerity. Stlačením fulleritu za vysoké teploty lze připravit mikrokrystalický diamant zajímavých vlastností.

Do vnitřní dutiny fullerenů lze vložit (enkapsulovat) některé malé molekuly, jako je např. vodík, dusík, Sc₃N či vodu.^[6] Takto vložené molekuly pak ovlivňují výsledné vlastnosti fullerenů.^{[7][8][9][10]}

• buckyball klastry: nejmenší z nich je C₂₀, ale nejčastější typ je C₆₀
• polymerní: řetěze dvou a třídimenzionálních polymerů utvářených pod vysokým tlakem a teplotou
• nano-onions: vícevrstvé sférické fullereny (využití jako mazivo)
• buckypaper: experimentální fullereno-kompozitní materiály

Strukturu blízkou fullerenům (tedy vrstvu nebo několik málo vrstev atomů uhlíku uspořádaných do pětiúhelníků a šestiúhelníků) mají:

• grafen (nesvinutá vrstva)
• uhlíkové nanotrubičky (vrstva svinuta do válcového tvaru)

Jsou známy čtyři způsoby přípravy pyrolýzou:

• Rozhodující metoda přípravy využívá vypařování grafitu v elektrickém oblouku v atmosféře inertního plynu.
• Metoda přípravy fullerenu v plamenech různých organických látek se zatím příliš nevžila.
• Třetí metoda pracuje se slunečním zářením koncentrovaným pomocí zrcadla do ohniska, ve kterém je umístěn grafit.
• Poslední metoda využívá pyrolýzy organických sloučenin laserem.

Postupný rozvoj průmyslové produkce významně snížil ceny fullerenů. Časově nejnáročnější fází celého procesu je separace jednotlivých fullerenů pomocí kapalinové chromatografie.

Největší prostředky jsou v současnosti vynakládány na výzkum fullerenů jako nových perspektivních materiálů pro techniku. Mezi nejdůležitější vlastnosti patří jejich supravodivost. Ukázalo se, že je možno vytvářet sloučeniny C₆₀ s alkalickými kovy, které jsou supravodivé při teplotách 18 K i vyšších.

Dalším perspektivním oborem, kde se dá předpokládat jejich využití, je lékařství. Např. by je šlo využít jako léčiva na AIDS.

Již od počátku 21. století jsou fullereny využívány jako mikrokomponenty v nanoinženýrství.

• SODOMKA, Jaromír. Fullereny – struktura, vlastnosti a perspektivy použití v dopravě [online]. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta dopravní, 2002 [cit. 2009-05-26]. Dostupné online. ^{[nedostupný zdroj]}

• Uhlíkové nanotrubice
• Šungit
• Grafen

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Fullereny na Wikimedia Commons
• Kniha Fullereny a nanotrubičky ve Wikiknihách
• (anglicky) Properties of C60 fullerene Archivováno 2. 7. 2007 na Wayback Machine.
• (anglicky) Richard Smalley's autobiography at Nobel.se Archivováno 4. 12. 2001 na Wayback Machine.
• (anglicky) Sir Harry Kroto's webpage
• (anglicky) Simple model of Fullerene. Archivováno 27. 10. 2020 na Wayback Machine.
• (anglicky) Rhonditic Steel
• (anglicky) Introduction to fullerites
• (anglicky) Bucky Balls, a short video explaining the structure of C60 by the Vega Science Trust
• (anglicky) Giant Fullerenes, a short video looking at Giant Fullerenes