FULLERENOS Raúl Acosta López Enrique Martínez Delgado Mª Isabel Martínez Vicente

Fullerenos Introducción Historia Síntesis Caracterización Propiedades Aplicaciones

Introducción El carbono 4 electrones de valencia ↓ hasta 4 enlaces covalentes formas alotrópicas

Introducción Formas alotrópicas del carbono

Introducción Formas alotrópicas del carbono Diamante ● 4 enlaces covalentes (sp3) → dureza ● Cada 5 átomos de carbono forman un tetraedro, 4 ángulos 109.5º ↓ Se unen entre sí a otros cuatro dando una estructura de blenda

Introducción Formas alotrópicas del carbono Grafito ● Átomos de C con hibridación sp2 ● Cada C se une con otros 3 C ↓ disposición trigonal-plana anillos (C6) condensados que dan lugar a láminas que interaccionan entre ellas por fuerzas de Van der Waals → fácil deslizamiento

Introducción Formas alotrópicas del carbono Fullereno ● Hibridación intermedia entre sp2 y sp3 ● Anillos hexagonales se combinan con pentagonales ● C60 es el más común (balón de fútbol o buckyball) (Icosaedro) (Icosaedro truncado)

Introducción Características de los fullerenos Estructuras cerradas sobre si mismas (C6 y C5) Presentan 120 operaciones de simetría → la molécula más simétrica (C7 imperfecciones) Cumple teorema de Eüler: c + v = a + 2 7Å ≤ Dm ≤ 15Å (6 a 10 veces > que el del átomo C)

Historia En 1985, Kroto y Smalley encontraron accidentalmente unas nuevas moléculas muy estables, la más abundante C60 En 1990 se sintetizaron por primera vez En 1991 Sumio Iijima detectó una forma más del carbono, el nanotubo

Síntesis Método original Método Kroto Método alternativo

Síntesis Método original (1985, Rice) Evaporación de grafito ● Se calienta el grafito en un horno a 1200ºC ● Usa vidrio de cuarzo como portamuestra ● Requiere atmósfera inerte (mezcla de argón) ● Se incide con un láser de CO2 ● Recolección del material enfriando en un ánodo de cobre

Síntesis Método Kroto (1990, Sussex) Descarga de arco ● En lugar de rayos láser se utilizan corrientes eléctricas de alta tensión ● Se calientan varillas de grafito de 6 a 7 cm en una campana de cristal durante 15-20 segundos ● Atmósfera de 100 torr de Helio ● Utiliza placas de recolección de KBr

Síntesis Método alternativo (en estudio) Disociación del bromuro de polivinilideno (PVB) con radiación IR ● Se forman radicales de CH y C2, tanto en su estado fundamental como en el primer estado electrónico excitado ● El C2 se forma vibracionalmente excitado ● En ciertas condiciones de irradiación se ha detectado un residuo carbonoso que contiene fullerenos

Caracterización AFM (microscopio de fuerza atómica) STM (microscopio efecto túnel)

Caracterización Estudio de una gota con fullerenos en suspensión (mediante AFM)

Propiedades Propiedades Físicas Estabilidad ● Temperatura descomposición > 1000ºC (depende de Cn) ● A T<1000ºC cierta cantidad se sublima sin descomposición de las esferas (generación de cristales y películas delgadas de fullerenos) ● T> -13ºC las esferas rotan libremente en sus posiciones cristalinas (el cristal es plástico a T ambiente) ● T< -183ºC las esferas se vuelen completamente inmóviles

Propiedades Propiedades Físicas Color (atractivos y variados colores) ● C60 en la naturaleza → negro películas delgadas → mostaza disolución en solventes orgánicos → rosa/magenta ● C70 piezas extensas → gris oscuro películas delgadas → café rojizo en disolución → rojo vino ● C76 , C78 y C84 → amarillo

Propiedades Propiedades Eléctricas Aislante eléctrico Las moléculas C60 se combinan dando un sólido cristalino que no deja pasar la electricidad. Conductor eléctrico En cada C, tres electrones se encuentran formando enlaces con los 3 C vecinos y el cuarto está compartido con todos los C.

Propiedades Propiedades químicas Acidez/Basicidad Ácido de Lewis, forma compuestos fácilmente con átomos donadores de electrones como los metales alcalinos. Fulléridos alcalino: fulleritas a las que se le han añadido átomos alcalinos fórmula → A3C60 (A: K, Rb, Cs y Na) ● Son capaces de generar cristales del orden de 25Å, con un alto grado de desorden. ● Si se unen al K y Rb los compuestos resultan superconductores, con Tcrítica del orden de 40 a 60ºK

Propiedades Propiedades químicas Solubilidad ● Solubles en ciertos disolventes orgánicos e insolubles en disolventes polares o con enlaces de hidrógeno. ● Importante para la química de fullerenos que se basa fundamentalmente en reacciones de adición:

Propiedades Reactividad Adición al enlace C-C Br2, 25ºC C60 -------------> C60Br2 + C60Br4 (con el Cl2 también reacciona a T > 300 ºC)

Propiedades Reactividad Ciclación y polimerización Por exposición directa a la luz ultravioleta sus moléculas se polimerizan formando enlaces entre esferas cercanas. El polímero ya no se disuelve en tolueno → fotosensible Compuestos huésped-anfitrión Con metales de transición Reacciones de transferencia electrónica

Propiedades Reactividad Formación de nanotubos Propiedades de los nanotubos ● Conductividad eléctrica ● Conductividad térmica a lo largo del eje del tubo ● Propiedades mecánicas → la fibra más fuerte conocida ● Perfección molecular

Aplicaciones Fullerenos Nuevos tipos de Polímeros ● Polímeros electroactivos (reacciones de transferencia de electrones) ● Polímeros con propiedades de limitadores ópticos (importante en el campo de los láseres, evita el deterioro de los materiales) ● Dispositivos fotoconductores Nuevos catalizadores Productos farmacéuticos (biomedicina) ● Ciertos derivados de organometálicos de los fullerenos muestran actividad contra VIH-1,VIH2 del SIDA ● Fototerapia

Aplicaciones Otras aplicaciones industriales (nanotubos) Sondas químicas y genéticas Memoria mecánica Nanopinzas Sensores supersensibles Almacenamiento de hidrógeno e iones Materiales de máxima resistencia Microscopio de barrido de mayor resolución

Bibliografía Agradecimiento al catedrático Harold W. Kroto, descubridor de los fullerenos y premio Nobel de Química en 1996, por facilitarnos información. http://www.che.utoledo.edu/nadarajah/webpages/whatsafm.html http://www.chembio.uoguelph.ca/educmat/chm729/afm/firstpag.htm http://www.geocities.com/ferman30/FullereneEsp.html http://www.kroto.info (hhtp://www.vega.org.uk http://www.chem.fsu.edu/people/pe_faculty_lst.asp http://www.chem.fsu.edu/people/pe_home.asp