دانلود تحقیق فولرین ها

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 الکترود های 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.

باکی‌ بال‌‌ های 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 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.

علاقه قابل ملاحظه‌ای در نیمه دوم 2001 پس از تحقیق آزمایشگاه‌های بل و لوسنت پدید آمد.

این تحقیق نشان داد که فولرین‌ها در بالای دمای نیتروژن مایع می‌توانند ابررسانا شوند.

این یافته از آنجا مهم است که نیتروژن مایع نسبتاً ارزان است اما ایجاد دماهای پایین‌تر از آن بسیار سخت‌تر است.

با این حال ابهاماتی در این مورد پدید آمد، چون محقق مربوطه – هندریک شون- چندی بعد در یک مطالعه الکترونیک مولکولی نیز از نمودارهای مشابهی استفاده کرد.

بعدها کار باکی‌بال‌ها نیز مورد تشکیک قرار گرفت و تاکنون کسی کار او را تکرار نکرده است.

البته ابررسانایی فولرین‌ها و مشتقات در دماهای بسیار پایین (چند ده درجه کلوین!)، اثبات شده است.

در همان زمان ادعای دیگری در مورد خاصیت مغناطیسی یک پلیمر ساخته‌شده از باکی‌بال‌ها در دمای اتاق- اولین مغناطیس غیرفلزی- مطرح شد.

با این که اشتباهی در این مورد دیده نشده است، اما این کار هم تکرار نشده است.

گذشته از این، کمی بعد پلیمر دیگری گزارش شد که بدون باکی‌بال دارای همان خاصیت بود.

از فولرین‌ها می‌توان به عنوان پیش‌سازی برای دیگر مواد، همچون روکش‌های الماسی یا نانولوله‌ها استفاده کرد (مثلاً سونی با حرارت‌دادن فولرین‌ها و پلاتین به نانولوله‌ها رسیده است).

از فولرین‌ها به طور محدودی در تحقیقات بنیادی مکانیک کوانتومی استفاده شده است؛ چون آنها بزرگ‌ترین ذره‌ای هستند که در آنها دوگانگی موج- ذره ماده دیده شده است (در این تجربه مشاهده شده که یک مولکول C60 هم‌زمان از دو مجرای مختلف می‌گذرد).

کارکردی‌سازی طی فرآیند موسوم به کارکردی‌سازی(functionalization)، می‌توان برای اصلاح خواص فولرین‌ها گروه‌های شیمیایی را به یک اتم کربن آنها متصل نمود.

تعداد زیاد اتم‌های کربن موجود باعث ملقب‌شدن فولرین‌ها به جاسنجاقی مولکولی، مخصوصاً در متون پزشکی شرکت CSixty شده است.

تحقیقات مربوط به کارکردی‌سازی فولرین‌ها به طور خاص در چند سال اخیر افزایش یافته است، تا به جای ایجاد پلیمرها، تحقیقات معطوف واریانت‌های دارای فعالیت زیستی شود.

یک مثال زیبا از گروه‌های عاملی طولانی، خلق توپ بدمینتون[3] (شکل) توسط گروهی در دانشگاه توکیو بود.

این مولکول‌ها در مصارف بلور مایع کاربرد خواهند داشت، که می‌تواند بسیار فراتر از نمایشگرهای بلور مایع و در زمینه‌هایی همچون اپتیک غیرخطی، فوتونیک و الکترونیک مولکولی باشد (Nature 419, 702-705).

دانشگاه توکیو کارهای جالبی در زمینه خلق مخلوط‌های فروسن‌ها و فولرین‌ها انجام داده است.

فروسن‌ها ترکیباتی حاوی آهن و گروه‌های آلی هستند، که ده‌ها سال پس از زمان کشفشان توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند.

مخلوط آنها با فولرین‌ها می‌تواند منجر به تولید محفظه‌های دارورسانی با اساس نانوساختارهای دارای خواص الکترونیکی و فتونیکیِ مفید شود.

در این دانشگاه محفظه‌هایی با بیش از حدود 13000 مولکول C60 اصلاح‌شده با نمک پتاسیم پنتافنیل فولرین، ساخته شده‌اند.

دانشگاه رایس با همکاری مؤسسه فیزیک فشار بالای آکادمی علوم روسیه بر روی فلوریناسیون پلی‌فولرین‌ها، زنجیره‌های پلیمری و صفحات C60 کار می‌کنند.

پلی‌فولرین‌ها نسبت به پلیمرهای آلی همچون پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن یا نایلون از پایداری بسیار بیشتری برخوردارند و افزایش فلوئور به پلی‌فولرین‌ها به شیمیدانان کمک می‌کند تا راحت‌تر با آنها کار کنند.

محققان SRI International نیز روی خلق پلیمرهای مبتنی بر فولرین‌ها با اتصال گروه‌های آمین به C60 کار کرده‌اند.

نتیجه کار، انواع پلیمرهای دارای اتصالات عرضی بوده است که برای روکش‌دهی پاششی، غوطه‌وری یا چرخشی مناسب می‌باشند و پایداری حرارتی بالایی دارند.

فولرین‌های درون‌وجهی یک عرصه تحقیقاتی که لااقل به اندازه کارکردی‌سازی فولرین‌ها فعال است، جای‌دهی اتم‌ها درون آنهاست.

به مواد حاصل، فولرین‌های درون‌وجهی گفته می‌شود، که به صورت X@C60 بیان می‌شوند.

(X اتم محبوس و C60 یک فولرین است).

عناصر واکنش‌دهنده را می‌توان درون قفس فولرین‌ها تثبیت کرد.

عنصر محبوس‌شده می‌تواند خواص الکترونی و مغناطیسی فولرین را تغییر دهد (می‌تواند الکترون خود را به فولرین ببخشد).

خلق فولرین‌های درون‌وجهی چالش‌برانگیز است.

راهکارهای ساده آن، شامل خلق فولرین‌ها در حضور عنصر مورد نظر است، اما راندمان این روش معمولاً کمتر از 1% است.

با این حال برخی از محققان همچون لوتار دانچ از مؤسسه تحقیقات مواد و حالت جامد لایپ‌نیتز ادعا کرده‌اند، با تنظیم شرایط واکنش می‌توان به راندمان و انتخاب‌پذیری بالایی دست یافت.

یک راهکار دیگر، مخلوط ‌نمودن فولرین‌ها و مواد مورد نظر و قراردادن آنها در معرض دما یا فشار بالا یا استفاده از یک روش شیمیایی برای باز نمودن فولرین‌هاست.

محققان UCLA نحوه ایجاد حفرات کاملاً بزرگ را کنترل کرده‌اند، اما بستن آنها هنوز خارج از کنترل است.

تعداد فراوانی از عناصر از جمله گازهای بی‌اثر در فولرین‌ها کپسوله شده‌اند.

در این حالت اتم محبوس‌شده تمایلی برای پیوند با اتم‌های کربن پیرامون ندارد، اما می‌تواند مصارفی همچون تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) داشته باشد.

استفاده از فولرین‌های درون‌وجهی برای مصارف تصویربرداری پزشکی نیازمند محلول‌بودن آنها در آب است.

فولرین‌های بالاتر (بالاتر از C60) مشتقاتی دارند که عموماً انحلال‌پذیرترند اما گران‌تر هم می‌باشند.

فولرین‌های درون‌وجهی C60 معمولاً نامحلول‌تر و حساس‌تر به آب‌اند، اما در عوض ارزان‌تر می‌باشند.

کارکردی‌سازی می‌تواند قابلیت انحلال‌پذیری در آب و پایداری درهوا را بهتر کند.

علاوه براین دیده شده که مشتقات C60 به‌خوبی از بدن دفع می‌شوند، حال آن که فولرین‌های بالاتر همچون C تمایل خود به تجمع‌ در شش، کبد و استخوان را آشکار کرده‌اند.

سازگاری نسبتاً بالای سیستم‌های زیستی به کربن، یکی از دلایل توانمندی باکی‌بال‌ها در مصارف پزشکی می‌باشد.

از رسانش رادیوایزوتوپ‌ها به سلول‌های سرطانی تا MRI هرچیزی که درون حفاظ باکی‌بال‌ها باشد، از تماس با بدن در امان است.

از همه مهم‌تر این که باکی‌بال‌ها آنقدر کوچک هستند که از طریق کلیه و ترشحات بدن دفع شوند.

با این حال سیستم‌های زیستی را می‌توان نسبت به باکی‌بال‌ها حساس نمود (مثلاً با استفاده از پادتن‌ها در روی آنها) تا حضور باکی‌بال‌ها را در بافت‌ها و سیالات زیستی آشکار کنند.

محققان دانشگاه رایس مولکول‌هایی از C60 و دیگر فولرین‌ها را طراحی کرده‌اند که دارای یک اتم درونی گادولینیوم و یک ضمیمه شیمیایی (جهت انحلال در آب) می‌باشند.

در عوامل مرسوم ایجاد تباین MRI، اتم گادولینیوم به یک مولکول معمولی متصل می‌شود و به‌سرعت از بدن دفع می‌گردد، اما گادولینیوم محبوس در فولرین می‌تواند زمان درازتری را در بدن به سر ببرد.

همچنین محققان Virginia Tech سه اتم فلزی را به همراه یک اتم نیتروژن درون قفس فولرین C60 قرار می‌دهند، تا عوامل ایجاد تباین چندمنظوره‌ای را بسازند- مثلاً دو اتم برای تصویربرداری MRI و یکی برای تصویربرداری اشعه ایکس.

جواز این کار به Luna Nanomaterials، که محصول خود را trimetaspheres می‌خواند، داده شده است.

این شرکت مدعی است که عوامل ایجاد تباین او 50 برابر عوامل مرسوم Magnevist (که ثبت اختراع آن در حال انقضاست) کارآیی دارد.

Luna بازار عوامل ایجاد تباین MRI خود را یک میلیارد دلار برآورد کرده است.

Virginia Tech در اوایل 2002 در کاری دیگر، مشتق آلی یک متافولرین را ساخت که قابلیت انحلال بیشتری دارد و بیشتر به درد مصارف زیستی می‌خورد.

هدف نهایی، چسباندن گروه‌های محلول در آب همچون پپتیدها یا زنجیره‌های آبدوست به آنها می‌باشد.

ساختارهای وابسته به فولرین‌ها هنگام ملاحظه قابلیت‌ فولرین‌ها لازم است به ساختارهای جالب وابسته به آنها، همچون نانولوله‌های کربنی یا مواد مختلف موجود در دوده فولرین‌ها هم توجه کنیم.

علاوه بر این اگر هندسه‌های محتمل دیگر را درنظر داشته باشیم، وجود حلقه‌های با بیش از 6 اتم (مثل هفت و هشت ضلعی‌ها) موجب ایجاد انحنا در خلاف جهت پنج‌ضلعی‌های فولرین‌ها می‌شود.

اشکال کربنی مبتنی بر این انحنای منفی مدت‌ها پیش با نام شوارتزیت‌ها مطرح شده بودند و سرانجام در اواخر 2002 ساخته شدند (Applied Physics Letters 81, 3359-3361).

این مواد به‌شدت متخلخل، قابلیت‌هایی در کاتالیزگری، ذخیره سوخت و زیست‌مواد دارند و بنابراین رقیب فولرین‌ها به شمار می‌‌آیند.

مواد دیگری که قابل توجه‌اند، فولرین‌هایی هستند که از عناصری به غیر از کربن ساخته شده باشند.

Applied Nanomaterials متخصص ساخت معادل‌های معدنی نانولوله‌ها و فولرین‌هاست.

آنها ادعا می‌کنند ساخت این مواد ساده‌تر است و دارای مصارفی در بازار الکترونیک، کامپوزیت‌ها و روان‌کننده‌ها می‌باشند.

1 - تغییر ماهیت یک ماده با حرارت ولی بدون سوزاندن آن