Fullereny, také známé jako buckybally, jsou neobvyklou třídou molekul, které představují jednu z alotropních modifikací uhlíku. Tyto molekuly jsou tvořeny z atomů uhlíku uspořádaných do struktury podobné fotbalovému míči (klenotové struktury), kouli, elipse či trubici. Jejich objevem v roce 1985 byla široká škála krystalických forem uhlíku (grafit, diamanty a karbiny) doplněna o novou molekulární formu, která se kondenzací fullerenových molekul vytváří pevná krystalická fáze, tzv. fullerit.
Objev fullerenů a jejich geometrie
Již v 70. letech byly provedeny teoretické kvantově chemické výpočty, které předpovídaly existenci takových molekul. Roku 1985 byly fullereny poprvé objeveny při studiu grafitových par po jejich laserovém ozáření. Za objev a studium fullerenů získali v roce 1996 američtí profesoři R. E. Smalley a R. F. Curl a britský profesor H. W. Kroto Nobelovu cenu za chemii. Tato hypotéza sehrála svou roli v tom, komu připadla Nobelova cena za objev fullerenů, tedy trojici Robert Curl, Harold Kroto a Richard Smalley. Celá práce, která nakonec vedla k Nobelově ceně, byla hotova za nějakých 10 dnů (1.-11. 9. 1985), a oceněná trojice jinak nikdy před tím ani nikdy potom společně nepracovala. Objev fullerenů byl v mnoha ohledech jedinečnou událostí a je spojen s řadou neobvyklostí.
Nejznámější a svými vlastnostmi nejzajímavější molekulou mezi fullereny je molekula C60. V porovnání s ostatními molekulami fullerenů má nejdokonalejší kulový tvar. Má strukturu komolého ikosaedru, jehož povrch tvoří dvacet šestiúhelníků a dvanáct pětiúhelníků (obdoba fotbalového míče). Univerzální vlastností vůbec všech fullerenů - nejen C60 - je, že vždy obsahují právě tucet pětiúhelníků. Pětiúhelníky jsou tvořeny jednoduchými kovalentními vazbami, šestiúhelníky tvoří systém alternujících jednoduchých a dvojných vazeb.
Další důležitou geometrickou vlastností komolého ikosaedru je, že všechny jeho pětiúhelníky jsou tzv. izolované - každý je obklopen pěti šestiúhelníky (takže nikdy dva pětiúhelníky nesdílejí společnou vazbu). V C60 jsou jen dva typy vazeb: buď sdílené pěti- a šesti-úhelníkem (5/6 vazby), nebo dvěma šestiúhelníky (6/6 vazby). Vzhledem k právě tuctu pětiúhelníků je počet 5/6 vazeb 12 x 5 = 60, takže 6/6 vazeb je 90 - 60 = 30.
Výskyt fullerenů v přírodě
Fullereny byly po svém objevu nejprve potvrzeny v kosmickém prostoru a v chladných atmosférách rudých meteoritů, kde tvoří 0,3-0,9 % mezihvězdného uhlíku. Později byl prokázán jejich výskyt také na Zemi. V přírodě se nacházejí ve fulguritech (vznikají při úderu blesku do půdy), v kráterech sopek, v hraničních sedimentech, v pevných bitumenech, v nalezišti grafitu v Mílově na Blovicku a v černouhelných slojích v Číně.
Čtěte také: Průvodce reakcemi v minerálním odpadu
Marketingově nejzajímavější bylo potvrzení fullerenu v hornině zvané šungit, jejíž těžební naleziště je v severozápadním Rusku u finských hranic (oblast Karélie). V současné době je to jediný přírodní materiál na planetě Zemi, ve kterém byly fullereny objeveny v jejich přirozeném stavu. Fullereny v šungitu byly nalezeny jako molekuly C60 a C70. Bylo zjištěno, že tyto neobvyklé molekuly mají hydratovanou formu, což jim umožňuje rozpouštět se ve vodě. Šungit je vzácný uhlíkový minerál, který je známý svou vysokou koncentrací uhlíku a širokou škálou využití.
Šungit: Minerál s obsahem fullerenů
Šungit je přírodní uhlíkový minerál, který se vyznačuje vysokým obsahem uhlíku (přibližně 30-98 % v závislosti na kvalitě) a obsahuje specifické formy uhlíku známé jako fullereny. Nejvýznamnější naleziště šungitu se nacházejí v Rusku, konkrétně v oblasti Karélie, poblíž vesnice Šunga, podle které dostal minerál své jméno. Toto naleziště obsahuje největší známé zásoby šungitu na světě.
Šungit se klasifikuje podle obsahu uhlíku a struktury:
- Elitní šungit (stříbrný šungit): Tento druh obsahuje nejvyšší koncentraci uhlíku, dosahující až 98 %. Je vzácný, má kovový lesk a nachází se v menším množství.
- Černý šungit: Tento typ šungitu je běžnější a obsahuje nižší koncentraci uhlíku (30-50 %).
Šungit má široké spektrum využití v různých odvětvích, ať už v průmyslu, stavebnictví nebo šperkařství:
- Šungit se tradičně využívá jako stavební materiál díky své odolnosti a schopnosti odolávat chemickým a fyzikálním vlivům. Používá se v cementu a betonu, protože zlepšuje jejich pevnost a odolnost vůči vlhkosti.
- Jednou z nejvýznamnějších aplikací šungitu je jeho použití ve filtrech na čištění vody. Díky své vysoké absorpční schopnosti je schopen zachytit různé nečistoty a toxiny z vody.
- Šungit se využívá i v některých elektronických aplikacích díky svým elektricky vodivým vlastnostem.
- Elitní šungit je oblíbeným materiálem pro výrobu šperků, a to zejména díky svému kovovému lesku a unikátní barvě. Kabošony a jiné tvary z tohoto minerálu jsou často zasazovány do stříbra nebo zlata, což vytváří elegantní a moderní šperky.
- Šungit se často používá v dekoracích a bytovém designu, kde je oceňován pro svou matnou černou barvu a schopnost vytvořit moderní a minimalistický vzhled.
Fullereny ve vesmíru
Nedávno se zjistilo, že tyto unikátní uhlíkové kuličky se nacházejí i ve vnějších mlhovinách vesmíru. Nedávná studie vědců z Instituto de Astrofísica de Canarias analyzovala infračervená spektroskopická data získaná dříve pomocí dalekohledů umístěných ve vesmíru, a to z planetární mlhoviny Tc1. Za účelem identifikace těchto záhadných pásů výzkumný tým reprodukoval infračervené záření planetární mlhoviny Tc1.
Čtěte také: Jak hlídače izolačního stavu zvyšují bezpečnost IT sítí
Vlastnosti a aplikace fullerenů
Fullereny se vyznačují trigonální sp2 hybridizací atomů uhlíku. Kondenzací fullerenových molekul se vytváří pevná krystalická fáze, tzv. fullerit s plošně kubickou mřížkou. Zásadní rozdíl oproti grafitu a diamantu je rozpustnost C60 v nepolárních organických rozpouštědlech, jako je tetrahydrofuran (THF), toluen, benzen, 1,2 dichlorbenzen, xylen, sirouhlík apod. Barvy těchto roztoků jsou pestré, např. hnědožlutá, fialová, červenofialová a jsou příznačné pro přechod π - π elektronů. Fullereny vykazují antibakteriální a antioxidační účinky.
Fyzici a chemici našli pro fullereny mnoho využití. Používají se při syntéze nových sloučenin v optice, výrobě vodičů a v oblastech základních i aplikovaných věd s využitím atomové struktury. Studie v biologii prokázaly schopnost fullerenů bojovat proti látkám, které inhibují oxidaci zdravých buněk lidského těla a zvířat. Bylo zjištěno, že bioaktivními činiteli v mumiu jsou DBP, DCP, kyselina fulvová, fullereny a adukty fullerenů-DBP. Fullereny a adukty fullerenů, vyskytující se v meteoritech, amonitech i mumiu, vykazovaly silné antidiabetické účinky u albínů krys. Tento účinek je mnohem silnější u extraktů mumia, obsahujících fullereny a adukty fullerenů než u vzorků neobsahujících fullereny.
Mezi další potenciální využití patří:
- Antioxidační schopnosti do mnoha materiálů a polymerů.
- Neuroprotektory například proti Alzheimerově nebo Parkinsonově chorobě.
- Inhibitory AIDS proteázy.
- Léky proti arteroskleróze.
Fullereny v podobě svinutých rovin grafitu uzavřených polokoulemi tvoří uhlíkové nanotrubičky, které se chovají buď jako kovy, nebo jako polovodiče v závislosti na svém poloměru a šroubovitém tvaru. Díky vysokému poměru pevnosti ku hmotnosti by mohly být nanotrubičky použity jako miniaturní uhlíková vlákna v superpevných a lehkých kompozitních materiálech. K dalším vynálezům patří také jakýsi "fullerenový papír", který je 10x lehčí a 500x pevnější než ocel. Podobný pevný "bucky-papír" lze v budoucnu využít např. i při výrobě letadel, raket, aut či vojenských obranných pancířů a krunýřů. Uhlíkové nanotrubičky nemají pouze výjimečné mechanické vlastnosti, ale také velmi zajímavé vlastnosti elektronické a optické.
Možná rizika fullerenů a nanotechnologií
Se vzrůstajícím podílem nanomateriálů v komerčních výrobcích se rozvíjí také debata, zda jejich ekologické a společenské dopady nepřeváží nad získanými výhodami. Kolosnjaj et al. dospěli k závěru, že je jen málo důkazů k prokázání jednoznačné akutní a subakutní toxicity nemodifikovaného C60, zatímco jeho chemicky modifikované deriváty mohou být toxické. Dle výzkumníků chemické fakulty z Tel Avivu a lékařských pracovišť na Harvardu se ukončily úspěšné testy, které prokázaly, že fullereny dodané do mozku stimulují jeho činnost a prodlužují život mozkovým buňkám. Test bioakumulace fullerenu v oktanolu jako substituentu lidské tkáně prokázal srovnatelný bioakumulační potenciál jako DDT.
Čtěte také: Průvodce měřením izolace 500V
V současné době je za nejvýznamnější cestu toxického působení považován oxidativní stres, který je definován jako nerovnováha mezi produkcí volných kyslíkových radikálů a jejich odstraňováním antioxidanty. Studie provedené na keratinocytech prokázaly rychlou absorpci fullerenů těmito kožními buňkami. Vodní klastry fullerenů vykazují významnou antibakteriální aktivitu vůči různým druhům bakterií při rozličných podmínkách expozice. Antibakteriální aktivita byla popsána jak za přítomnosti světla nebo kyslíku, tak v jejich nepřítomnosti a rostla s rostoucí dávkou i dobou expozice, což by mohlo také představovat nový směr v oblasti dezinfekce.
Protože nanočástice se skládá z několika málo atomů, znamená to, že všechny atomy jsou blízko povrchu a proto snadněji reagují s atomy či molekulami jiných látek. Nanočástice jsou dostatečně malé, aby vstoupily do těla přes kůži, prostřednictvím dýchacího či trávicího traktu. Uvnitř organismu pak mohou procházet buněčnými povrchy, reagovat s DNA, enzymy, aminokyselinami apod. Navíc každý druh nanočástice má své unikátní charakterové vlastnosti. Jaká bude mobilita těchto částic a jaké budou interakce s jednotlivými složkami životního prostředí bude pravděpodobně záviset na specifické velikosti částic, tvaru, povrchu, rozpustnosti, náboji a dalších fyzikálně-chemických vlastnostech.
tags: #fulleren #minerál #výskyt