Fullerene: Aufbau, Entdeckung und Anwendungen von Buckyballs & Nanoröhren
Fullerene: Entdeckung, Aufbau und Anwendungen von Buckyballs (C60) und Kohlenstoff‑Nanoröhren – Synthese, Eigenschaften und Hightech‑Einsätze in Medizin, Elektronik & Materialien
Ein Fulleren ist jedes Molekül, das vollständig aus Kohlenstoff besteht und die Form einer Hohlkugel, eines Ellipsoids oder einer Röhre aufweist. Sphärische Fullerene werden auch als Buckyballs bezeichnet und ähneln den Bällen, die im Vereinsfussball verwendet werden. Zylindrische Fullerene werden als Kohlenstoff-Nanoröhren oder Buckytubes bezeichnet. Fullerene treten meist als Hohlkugeln (z. B. C60, C70) oder als Röhren (Nanoröhren) auf. Das Fulleren wurde 1985 von Robert Curl, Harold Kroto und Richard Smalley entdeckt — Kroto arbeitete an der University of Sussex, Curl und Smalley an der Rice University — und nach dem Architekten Buckminster Fuller benannt, dessen geodätische Kuppeln eine ähnliche Form zeigen. Für die Entdeckung erhielten Curl, Kroto und Smalley 1996 den Nobelpreis für Chemie.
Fullerene werden häufig durch Erhitzen von Graphit in einem elektrischen Lichtbogen in Gegenwart von Inertgasen wie Helium oder Argon erzeugt. Weitere Herstellungsverfahren sind Laserablation von Graphit, Pyrolyse organischer Vorläufer und verschiedene chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD) — letzteres wird vor allem zur Erzeugung von Kohlenstoff-Nanoröhren eingesetzt.
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Rotierende Struktur von C60
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Ein Fussball ist ein Modell des C60-Fullerene
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Netzwerk der C60-Fullerene
Aufbau und chemische Struktur
Das bekannteste Fulleren ist das C60-Molekül (Buckminsterfullerene). Es besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die sp2-hybridisiert sind und ein kugelförmiges Gerüst bilden, das aus 12 Fünfringen (Pentagone) und 20 Sechsringen (Hexagone) zusammengesetzt ist — analog zu einem klassischen Fußballmuster. Der Durchmesser eines C60-Moleküls beträgt etwa 0,7 nm. Bei C70 und größeren Fullerenen ist die Form ellipsoidischer bzw. komplizierter.
Wichtige Konzepte:
- Isolated-Pentagon-Rule (IPR): Für stabile Fullerene sollten die Pentagone nicht benachbart auftreten; dies minimiert die Spannung im Gerüst.
- Endo- und Exohedraler Charakter: Fullerene können Atome oder kleine Moleküle im Inneren einschließen (Endohedral-Fullerene, z. B. Metallionen) oder chemisch an ihrer Außenseite substituiert werden (Exohedral-Substitution).
- Elektronische Struktur: Fullerene sind konjugierte Systeme mit delokalisierten π-Elektronen. C60 wirkt als guter Elektronenakzeptor und kann leicht reduziert werden, was wichtig für elektronische Anwendungen ist.
Herstellung und Aufreinigung
Die gebräuchlichsten Produktionsmethoden sind:
- Lichtbogenverdampfung (Arc-discharge): Graphit-Elektroden in Helium-/Argon-Atmosphäre verdampft; in der erzeugten Russphase (soot) finden sich Fullerene.
- Laserablation: Ein Laser verdampft Graphit unter kontrollierten Bedingungen; eignet sich gut zur Synthese von C60 und C70.
- Chemische Dampfabscheidung (CVD): Häufig angewendet zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs).
Die Reinigung erfolgt typischerweise durch Lösen des Russes in geeigneten Lösungsmitteln (z. B. Toluol), gefolgt von chromatographischen Methoden (z. B. HPLC) und Sublimation, um reine C60-, C70- und andere Fraktionen zu isolieren.
Chemie und Eigenschaften
Fullerene zeigen eine vielfältige Chemie:
- Additionsreaktionen: Aufgrund der Doppelbindungen werden Fullerene durch Wasserstoffierung, Halogenierung, Diels–Alder-Reaktionen und andere cycloadditive Prozesse modifiziert.
- Redoxverhalten: C60 kann mehrere Elektronen aufnehmen und bildet stabile reduzierte Spezies (z. B. C60^−, C60^2−), was in organischen Solarzellen und als Elektronenakzeptor genutzt wird.
- Physikalische Eigenschaften: Reine C60-Kristalle sind bei Raumtemperatur Isolatoren/halbleitend; bei Einlagerung von Alkali-Metallen (z. B. K3C60) werden sie metallisch und zeigen superconducting Verhalten (Tc bis ~20 K).
- Mechanische Eigenschaften: Nanoröhren besitzen außergewöhnliche Zugfestigkeit und Elastizität; sie sind leichter als Stahl, aber deutlich stärker.
Varianten: Fullerene, Endohedral-Fullerene und Nanoröhren
Neben C60 und C70 gibt es viele weitere Fullerene (z. B. C76, C84). Besonderheiten sind:
- Endohedral-Fullerene: Atome oder Cluster (z. B. Metallionen) im Inneren des Fullerens, mit interessanten magnetischen und elektronischen Eigenschaften.
- Funktionalisierte Fullerene: Durch chemische Modifikation werden Fullerene löslicher und anwendungsspezifisch einsetzbar (z. B. in Medizin oder Polymerverbundstoffen).
- Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs): Ein-Röhren (Single-Walled, SWCNT) und Mehrfach-Röhren (Multi-Walled, MWCNT) wurden 1991 von Sumio Iijima beschrieben. Sie besitzen je nach Struktur metallische oder halbleitende Eigenschaften und finden breite Anwendung in Elektronik, Materialwissenschaften und Verbundwerkstoffen.
Anwendungen
Fullerene und Nanoröhren werden in vielen Bereichen erforscht und genutzt:
- Elektronik & Photovoltaik: C60 dient als Elektronenakzeptor in organischen Solarzellen; Nanoröhren als transparente leitfähige Schichten oder Kontakte.
- Materialwissenschaften: Verstärkungsmittel in Polymerverbundstoffen, Schmierstoffe und Beschichtungen.
- Medizin & Biotechnologie: Forschung zu Medikamententrägern, Antioxidantien und als Kontrastmittel; funktionalisierte Fullerene verbessern Löslichkeit und Biokompatibilität.
- Katalyse & Sensorik: Fullerene und metallendohlen Fullerene (metallofullerene) zeigen katalytische Eigenschaften; Nanoröhren werden als chemische und biologische Sensoren eingesetzt.
- Grundlagenforschung: Superconductivity, Quantenphänomene und neue elektronische Materialien auf Fullerengrundlage.
Sicherheit und Umwelt
Die Toxizität und Umweltwirkung von Fullerenen sind Gegenstand intensiver Forschung. Einige Studien zeigen, dass ungefunktionalisierte Fullerene in hohen Konzentrationen oxidativen Stress bei Zellen verursachen können; funktionalisierte Fullerene zeigen oft deutlich geringere Toxizität. Bei der Verarbeitung von Nanomaterialien sind geeignete Schutzmaßnahmen (Absaugung, Handschuhe, Vorsicht bei Aerosolen) ratsam. Umweltverhalten und langfristige Effekte sind noch nicht vollständig verstanden und werden weiter untersucht.
Zusammenfassung
Fullerene sind eine vielseitige Klasse von Kohlenstoffmolekülen mit charakteristischer Hohlstruktur — von kugelförmigen Buckyballs wie C60 bis zu länglichen Fullerenen und kohlenstoffbasierten Nanoröhren. Ihre besondere Elektronenstruktur, mechanischen Eigenschaften und die Möglichkeit der chemischen Modifikation machen sie zu wichtigen Bausteinen für moderne Materialien, Elektronik, Medizin und Grundlagenforschung. Trotz großer Fortschritte bleiben Synthese, Aufreinigung, Anwendungsskalen und Sicherheitsfragen zentrale Forschungsthemen.
Fragen und Antworten
F: Was ist ein Fulleren?
A: Ein Fulleren ist ein Molekül, das vollständig aus Kohlenstoff besteht und die Form einer Hohlkugel, eines Ellipsoids oder einer Röhre hat.
F: Wer hat das Fulleren entdeckt?
A: Das Fulleren wurde 1985 von Robert Curl, Harold Kroto und Richard Smalley an der Universität von Sussex und der Rice University entdeckt.
F: Warum ist es nach Buckminster Fuller benannt?
A: Es ist nach Buckminster Fuller benannt, weil seine berühmten geodätischen Kuppeln eine ähnliche Form haben wie die kugelförmigen Fullerene, die auch Buckyballs genannt werden.
F: Wie werden Fullerene hergestellt?
A: Fullerene werden in der Regel durch Erhitzen von Graphit in einem elektrischen Lichtbogen in Gegenwart von Inertgasen wie Helium oder Argon hergestellt.
F: Was ist mit C60 gemeint?
A: C60 bezieht sich auf eine rotierende Struktur einer bestimmten Art von Fulleren, die einem Fußball ähnelt.
F: Worauf bezieht sich das Netzwerk von C60?
A: Das Netzwerk von C60 bezieht sich auf seine chemische Struktur, die aus 60 Kohlenstoffatomen besteht, die durch Bindungen miteinander verbunden sind und Sechsecke und Fünfecke bilden, wie man sie in einem Fußball findet.
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