Fullerene

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Fullerene

Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	C₆₀
Massa molecolare (u)	720,66
Aspetto	polvere grigia
Numero CAS	99685-96-8
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm³, in c.s.)	1
Indicazioni di sicurezza
Progetto composti

Il fullerene è uno dei vari allotropi del carbonio (i più conosciuti allotropi del carbonio sono il diamante e la grafite oltre al carbonio amorfo e altre forme non ancora completamente definite da ricerche scientifiche). Sono molecole composte interamente di carbonio, che prendono una forma simile a quella di una sfera vuota, di un'ellissoide o di un tubolare. Il fullerene approssimativamente sferico è denominato a volte buckyball, mentre il fullerene cilindrico è altresì noto come buckytube o nanotubo.

[modifica] Nomenclatura

La molecola inizialmente aveva il nome di soccerene, da soccer, vista la somiglianza della sua struttura con quella di un pallone da calcio. Gli atomi di carbonio si dispongono infatti ai vertici di un particolare poliedro semiregolare: l'icosaedro troncato. Si tratta di uno dei 13 solidi archimedei, le cui facce sono esagoni e pentagoni. Il nome attuale è stato dato in onore di Richard Buckminster Fuller, architetto celebre per aver diffuso la cupola geodetica con la forma dello stesso poliedro. Il fullerene è strutturalmente simile alla grafite, la quale si costituisce di anelli esagonali collegati tra loro su un piano, ma si differenzia per alcuni anelli di forma pentagonale (o a volte ettagonale) che impediscono una struttura planare.

[modifica] Fullerite

Il più piccolo fullerene in cui nessuna coppia di pentagoni condivide un bordo (risultando altrimenti destabilizzante) è C₆₀ (fullerite) e in quanto tale risulta essere inoltre il più diffuso. La struttura del C₆₀ è quella di un icosaedro troncato, che assomiglia ad un pallone da calcio, di quelli costituiti da esagoni e pentagoni, ai cui vertici si posiziona ciascun atomo di carbonio e i cui bordi rappresentano i legami. Un nanotubulo single-walled polimerizzato (P-SWNT) è una sostanza composta di fullereni polimerizzati in cui gli atomi di carbonio di buckytube diversi legano tra di loro.

[modifica] Previsioni e scoperte

Fino al tardo ventesimo secolo, la grafite ed il diamante erano gli unici allotropi conosciuti del carbonio. Poi, negli esperimenti con fasci molecolari, si osservarono molecole con massa corrispondente in modo esatto a quella di 60, 70 o anche oltre, atomi di carbonio. Harold Kroto, dall'University of Sussex, James Heath, Sean O'Brien, Robert Curl e Richard Smalley, dalla Rice University, scoprirono il C₆₀ ed gli altri fullereni nel 1985. Kroto, Curl e Smalley hanno ricevuto il premio Nobel per la chimica nel 1996, per il loro ruolo nella scoperta di questa categoria di composti. Il C₆₀ ed altri fullereni furono successivamente notati in ambienti fuori dai laboratori (ad esempio nella classica fuliggine della candela). Sino al 1991, era relativamente facile produrre determinate quantità di polvere di fullerene, tramite le tecniche messe a punto da Donald Huffman e Wolfgang Krätschmer. La purificazione del fullerene rimane una sfida per i chimici e determina il suo prezzo in larga misura.

[modifica] Proprietà

Immagine generata al computer del Fullerene C540

A partire dal primo ventunesimo secolo, le proprietà chimiche e fisiche dei fullereni sono stati importanti oggetti di studio, sia nei laboratori di ricerca puri che applicati. Nell'aprile del 2003, i fullereni sono stati studiati per un loro potenziale uso medicinale - legando specifici antibiotici alla loro struttura per mirare a battere le resistenze dei batteri o perfino per colpire cellule del cancro come il melanoma.
Il fullerene non è molto reattivo data la stabilità dei legami simili a quelli della grafite ed è inoltre ragionevolmente insolubile nella maggioranza dei solventi. I ricercatori hanno potuto aumentare la reattività fissando dei gruppi attivi alla superficie del fullerene.
La fullerite non esibisce il fenomeno della "superaromatizzazione": cioè gli elettroni negli anelli esagonali non si delocalizzano all'interno dell'intera molecola. Altri atomi possono essere bloccati all'interno dei fullereni e una recente prova ha datato gli effetti di una meteora alla conclusione del periodo permiano (era paleozoica tarda). Questo fu reso possibile analizzando i gas nobili conservati nella struttura del fullerene.
In nanotecnologia, la resistenza termica e la superconduttività sono alcune delle proprietà più studiate. Un metodo comune impiegato per produrre i fullereni si traduce nella trasmissione di una forte corrente fra due elettrodi di grafite in condizioni di atmosfera inerte. L'arco risultante del plasma del carbonio fra gli elettrodi si raffredda in residuo fuligginoso, da cui possono essere isolati molti fullereni.

[modifica] Possibili pericoli

Anche se in teoria i buckyballs sono relativamente inerti, una presentazione della Società Chimica Americana nel mese di marzo del 2004, descritta in un articolo di "New Scientist" il 3 aprile 2004, suggerisce che la molecola è nociva agli organismi. Un esperimento condotto da Eva Oberdörster alla Southern Methodist University, ha dimostrato che, introducendo fullerene in acqua in concentrazione pari a 0.5 ppm, la spigola ha sofferto danni cellulari nel tessuto del cervello dopo 48 ore. I danni sono stati identificati come perossidazione dei lipidi, patologia conosciuta per alterare il funzionamento delle membrane delle cellule. Si sono verificati inoltre cambiamenti infiammatori nel fegato e nell'attivazione dei geni atti alla sintesi di enzimi di riparazione.

[modifica] Fullerene in matematica

In matematica, un fullerene è un poliedro convesso trivalente con facce esagonali e pentagonali. Usando la formula di Eulero, si può dimostrare facilmente che ci sono esattamente 12 pentagoni in un fullerene. Il più piccolo fullerene è il C₂₀, il dodecaedro. Non ci sono fullereni con 22 vertici. Il numero di fullereno C_2n si sviluppa velocemente con l'aumento di n = 12, 13, ...
Per esempio, ci sono 1812 fullereni non-isomorfici C₆₀ ma soltanto uno di essi, il fullerite, non ha accoppiamento di pentagoni adiacenti.