היום אנו הולכים לדבר על מבנה מולקולרי המשמש בעולם הפיזיקה ויש לו יישומים מעולים. זה בערך fullerenes. וזה המבנה המולקולרי השלישי היציב ביותר של פחמן המוכר כיום. זה יכול לקבל צורה כדורית, אליפטית, צינור או טבעת. הוא התגלה כמעט בטעות בשנת 1985.
במאמר זה אנו הולכים לספר לכם על כל המאפיינים, הגילוי והיישומים של פולרנים.
תכונות עיקריות
פולרנים התגלו על ידי מדענים הרולד קרוטו, רוברט קרל וריצ'רד סמלי בשנת 1985 בארה"ב הם כמעט גילויים מקריים אך אפשרו להם לקבל את פרס נובל לכימיה בשנת 1996. הפטנט הוגש בשנת 1990 ופורסם לאחר מכן. אלה מבנים חדשים, מולקולות פחמן יציבות מאוד. למעשה הם ידועים כצורה המולקולרית השלישית הידועה ביותר של פחמן אחרי יהלום וגרפיט.
פולרנים התפתחו כתוצאה מניסוי שבוצע עם מולקולות פחמן. הפטנט שנוצר מתייחס לשיטה הראשונה לייצור כמויות של החומר עבר לגילוי החומר עצמו. מה שניסה לרשום פטנט היה הדרך ליצור בכמויות גדולות בפולרין על מנת להרוויח מכך.
באותה שנה נערכו ניסויים שונים. באוניברסיטת רייס ביוסטון, הרולד קרוטו מאוניברסיטת סאות'המפטון וריצ'רד סמלי ורוברט תלתל רייס ביצעו ניסוי שהתבסס על ניסיון לדמות את כל התנאים בהם הם מתרחשים בסמוך לפני השטח של כוכב. מטרת הניסוי היה לדעת כיצד מולקולות גדולות נוצרות בחלל. לשם כך הם שיגרו קרן לייזר עזה על משטח פחמן בנוכחות גז הליום. בתחילה הוא נבדק עם מימן וחנקן אך לבסוף רק עם חנקן.
לאחר שקרן הלייזר התערבבה על פני הפחמן בנוכחות הליום, ניתן היה לראות כיצד הפחמן הגזי משולב עם ההליום ליצירת אשכולות. היה צריך לקרר את הגז לאפס מוחלט כמעט על מנת לבצע ניתוח ספקטרלי של האשכולות. הם התבררו כ- C60, כלומר יש 60 אטומי פחמן במולקולה אחת. באותה תקופה מדענים לא ראו דבר כזה. וזה כי זהו מבנה כדור שמזכיר את הכספת הגיאודזית של בקמינסטר פולר, ומכאן השם מלא.
יישומי Fullerenes
מכיוון שהם אינם מסוגלים ליצור מחדש פולרן במחשב, הם נאלצו לנקוט בנייר, במספריים ובקלטת. כך הטבילה תרכובת זו כמלאות. אנו יודעים כי אטומי פחמן הם משתלבים זה בזה ויכולים להצטרף וליצור שרשראות פולימריות ארוכות. פולימרים אלה משמשים לעתים קרובות במוצרים כגון כוסות פלסטיק ובקבוקים.
אחד המאפיינים המוזרים ביותר של פולרנים הוא שלחלקם יש אלקטרונים מהאטומים שאינם מקומיים. ניתן לומר שהתנהגותם של אלקטרונים אלה היא כאילו לא הבינו שהם חלק ממבנה הפחמן. המשמעות היא שעם סוג זה של התנהגות ניתן להוסיף אטומים אחרים ביתר קלות לבניית מוליכים-על או מבודדים. לאחר יצירת הפטנט, נכתבו דוחות רבים אודות מלאים ואפשרויות שהציע.
למרות שתרכובות אלה עדיין חדשות למדי, מדענים מעלים רעיונות שונים שנראים כמחלפים את מבנה הפולרנים ליצירת סיבים חלולים עדינים ש להחזיק פי 200 את חוזק המתיחה של הפלדה. נראה כי אחד השימושים של פולרן הוא יצירת פינצטה זעירה לאיסוף קבוצות של מולקולות או מיכלים המשמשים לנשיאת כמויות זעירות של תרופות או מגנים מפני רדיואקטיביות. ניתן להמיר אותו גם לכלובים המשמשים להכיל כמה מולקולות המאפשרות לעבור לאחרים בגודל קטן יותר. אם מוסיפים סוגים אחרים של אטומים, ניתן להשיג איכויות מסוימות, כמו מדידת התנגדות חשמלית.
מאפייני פולרנים
מדובר במבנים חלולים שיכולים להיווצר בטבע כתוצאה משריפות או ברקים. אם אנו מנתחים אותם פיזית, אנו רואים שהם בצורת אבקה צהובה. הסימן המדעי שלה הוא C60 ומתייחס למספר אטומי הפחמן באותה מולקולה. הם מסוגלים לעוות אך חזרו לצורתם המקורית כאשר הלחץ אליו הם נתונים מתחיל לרדת.
היתרון של פולרנים והצורך בפטנט הוא שהם עמידים מאוד. וזה שכדי להשמיד את החלקיקים הללו, יש צורך בטמפרטורות הגבוהות מ -1000 מעלות. טמפרטורות אלו אינן ניתנות להשגה בקלות על בסיס יומי. בכך שהוא בעל צורה סגורה וסימטרית, הוא מספק עמידות רבה ללחץ. הוא מסוגל לעמוד בלחצים של 3000 אטמוספרות.
בין המאפיינים של פולרנים אנו רואים את תכונות הסיכה שלהם. יכולת השימון ניתנת על ידי הכוחות הבין מולקולריים החלשים. המולקולות שלה יכולות להתעבות וליצור מוצק עם קשרים יציבים וחלשים יותר. מוצק זה ידוע בשם פולרט. אם אנו חושפים פולרן לטמפרטורות נמוכות מאוד, אנו רואים שהם מסוגלים להתעצם מבלי לאבד את הכדורים. המולקולות שלה הן מאוד אלקטרונטיביות ויוצרות קשרים עם אטומים התורמים אלקטרונים.
אנו יכולים להסיק כי פולרנים הם חומרים חדשים המייצרים מערכות שתיות בקורלציה גבוהה וגורמים להתעניינות רבה בקהילה המדעית. במיוחד זה העניין ממוקד מנקודת מבט של מוליכות-על. המשך מתמיד בכל המחקר על חומרים אלה יכול לשפר את הטכנולוגיות הנוכחיות לייצור חומרים שימושיים לעתיד.
כפי שאתה יכול לראות, במדעים, חומרים מעניינים מאוד יכולים להתגלות כתוצאה משגיאות או רדיפה אחר יעדים שונים. אני מקווה שעם מידע זה תוכלו ללמוד עוד על מלאויות ומאפייניהם.