Il Fullerene

I fullereni sono microaggregati di atomi di carbonio, di fatto un nuovo stato di aggregazione del carbonio puro come il diamante e la grafite e sono così denominati in onore di Richard Buckminster Fuller, architetto celebre per la progettazione della cupola geodesica.
Nel 1985, studiando la formazione di cluster di carbonio con la tecnica di vaporizzazione con laser, H.W. Kroto e R.E. Smalley osservarono che un aggregato di 60 atomi di carbonio, C60, possiede una stabilità di gran lunga più elevata di tutti gli altri cluster.

C60

La struttura del fullerene è quella di un icosaedro a cui sono stati troncati i vertici e sostituiti da pentagoni. Il C60 ha un diametro di circa 7 angstroms, cioè dieci volte più grande di un atomo. Nella struttura del C60 ogni atomo di carbonio è legato con altri tre atomi da due legami singoli e un doppio legame, quest'ultimo formato da un legame s e un p. Il legame p però non è formato da orbitali p paralleli tra di loro, come nella grafite, perchè il C60 non è planare; l'angolo presente tra il legame s e l'asse che contiene l'orbitale che dà luogo al legame p è di 101,6°.
Il C60 esiste allo stato solido sotto forma di fullerite: questa a temperatura ambiente si adatta in una struttura cubica a facce centrate (fcc), in cui al posto di ogni atomo c'è una molecola di fullerene, con una distanza interatomica di 14,17 angstroms.
La presenza di un alto numero di elettroni che circondano il fullerene facilita la formazione di un momento di dipolo e quindi di legami di Van Der Waals.
La fullerite è solida fino a 800°K, temperatura oltre la quale sublima. Al di sopra di 260°K le sfere sono libere di ruotare nelle loro posizioni cristalline. Abbassando la temperatura queste cominciano a ruotare orientandosi in alcune direzioni. Quando si raggiungono temperature tra i 100°K e i 90°K le sfere sono complemente bloccate.
La molecola di C60 è molto elettronegativa, per questo può facilmente legarsi con atomi di metalli alcalini che sono, al contrario, altamente elettropositivi. A seconda che si faccia reagire il C60 con 3 o 6 atomi di metalli alcalini si ottengono due prodotti con diverse proprietà: l'A3C60 e l'A6C60. L'A3C60è un conduttore a temperatura ambiente e un superconduttore a basse temperature; questo è dovuto al fatto che ha la banda di conduzione riempita solo parzialmente e gli elettroni possono muoversi tra le molecole di C60 e gli orbitali del legame p. Se si considera inoltre l'impacchettamento della cella si nota che l'A3C60 mantiene la struttura cubica a facce centrate (fcc) del C60 e questo perchè la struttura contiene per ogni sfera di C60 tre siti interstiziali, uno ottaedrico e due tetraedrici. Il composto A6C60 è, al contrario del precedente, un isolante perchè non ha elettroni di conduzione liberi; inoltre contiene il doppio del numero di ioni positivi contenuti nell' A3C60 e quindi il doppio di quelli che possono entrare nella struttura cubica a facce centrate. E' neccessario quindi riorganizzare la struttura passando così ad una cubica a corpo centrato (bcc).

Sintesi

La scarica ad arco è la tecnica più utilizzata per la produzione di fullereni. Questa tecnica prevede l'utilizzo di un arco incastrato tra due elettrodi di grafite separati da 1-10 nm in atmosfera di elio a 100-200 Torr; tipicamente si può ottenere una quantità notevole di fuliggine di carbonio, contenente fullereni, con una corrente di 100-200 A e una differenza di potenziale di 10-20 V.
La polvere contiene fino al 15-20% di fullereni solubili; per ottimizzare questo risultato la tecnica richiede un efficiente raffreddamento della fuliggine, realizzato circondando l'arco con un rivestimento in rame raffreddato ad acqua sul quale essa si deposita.
La porzione solubile della fuliggine viene estratta in toluene, che è preferito al benzene per la sua minore tossicità, utilizzando un apparato di Soxhlet. Il materiale ottenuto da questa separazione è composto da circa l' 80% di C60 e il 15% di C70. La purificazione avviene con una cromatografia su colonna di allumina usando etere di petrolio come fase mobile. [7]

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