Fullerenler – Buckyballs

Fulleren ismi ilk olarak mimar R. Buckminster Fuller’in tasarladığı jeodezik kubbenin C60 molekülüne benzerliğinden dolayı Kroto ve Smalley tarafından verilmiştir. Kafes formundaki molekülün hexagonal ve pentagonal yüzeylerinin belirlenmesinde Euler Teoremi kullanılmıştır. Laboratuvarda, asal atmosferde (He ortamında) karbonun buharlaşması ile elde edilen bu parçacık doğada shungite adı verilen taş formundaki yapılarda çok az miktarda bulunmaktadır. Bu nedenle laboratuvar ortamında özel yöntemlerle elde edilmektedir. Fulleren yapısı, büyük karbon kafesler olarakta bilinir. En yaygın bilinenleri C60, C70, ve C84 formlarıdır. Bu formlara eklemeler ile kuyruksu veya değişik biçimli bağlantılar ile fonksiyonel özellikler kazandırılmaktadır.



Fullerenlerin antioksidan özelliği bulunmaktadır. Bu yüzden medikal sektöründe kullanılımı vardır. Güneş pillerinde, hidrojen depolama özelliğinden yakıt depolarında ve tungsten disülfit ile birlikte kurşun geçirmez yeleklerde kullanılmaktadır.

1 – Katkılı Fullerenler

1.1 C60

C60 molekülü fullerenler arasındaki en kararlı yapıya sahip olanıdır.Sp2 hibritleşmesi yapıp 12 beşgen ve 20 altıgenden oluşur. Her bir beşgenin etrafı altıgenler ile her bir altıgen ise 3 beşgen be 3 altıgenle sarılmışlardır.

C60 molekülünde her karbon atomu biri çift olmak üzere 3 bağa sahiptir. Çift bağlar 1,39Å, tek bağların uzunluğu ise 1,44 Å’dür.

Molekül çapı büyük olduğundan, kristal örgüde moleküller arası mesafe de oldukça büyüktür dolayısıyla safsızlıklar moleküller arası boşluklara kolayca girebilmektedir ve bu da C60 molekülünün saf kristal olarak büyümesini zorlaştırmaktadır.

1.2 C70

C70, C60’tan sonra ikinci en kararlı fullerendir. Molekül 70 karbon atomunun, 12 beşgen ve 25 altıgen yapının bir araya gelmesiyle oluşur.


C70 molekülünde C60’dan farklı Çift bağların uzunkuğu 1,41 Å, tek bağların uzunluğu ise 1,48 Å’dür. C70 kristali oda sıcaklığında yüzey merkezli kübik yada hegzagonal sıkı paket yapısındadır.

İletim bandında elektron yoğunluğu artırılan C70’in yaklaşık olarak 7 K’de süper iletkenliği gözlemlenmiştir. Yapılan deneylere göre C70’in iletim bandı 6 elektron alabilmektedir. C60 iletim bandının yarısı doluyken süper iletkenlik özelliği göstermekteyken C70’de ise 4 tane yani üçte ikisi doluyken süer iletkenlik gösterdiği gözlemlenmiştir.

2 – Katkısız Fullerenler

Kristal yapısında karbondan başka atom bulunduran Fulleren grubudur. Katkı atomu, kristal örgüde, fullerene dışarıdan bağlanmış veya molekül kafesinin içinde olabilir. Fullerenlerin katkılanma şekline ve katkılanan elemente göre farklı özellik gösterirler. Mesela C60’a alkali metal katıldığında iletken olmaktayken, potasyum katıldığında süper iletken olmaktadır.

3 – Fulleren Üretimi

Fulleren elde etme yöntemleri başlangıç malzemesine göre birincisi grafitin diğeri ise hidrokarbonların kullanıldığı yöntemler olarak ikiye ayrılabilir.

Birinci yöntemde grafit, asal gaz ortamında ark veya lazerle buharlaştırılır. Oluşan buharın yoğunlaşması ile fulleren ve diğer karbon yapıları oluşur. İkinci yöntemde ise hidrokarbonlar lazer veya fırın ortamında hidrojenlerin buharlaştırılmasıyla olur.

Fullerenlerin katkılanması da genel olarak 2 yöntemle yapılır. Birinci yöntemde grafit içine katkısı yapılacak elementin tozu katılır. Diğer yöntem katılacak element gaz ise fullerenleri katkılanacak elementin yüksek sıcaklık basınç altındaki ortamına maruz bırakmaktır. Eğer katkılanacak element gaz değilse atomlar iyonlaştırılıp hızlandırılır ve fulleren kristali içerisine bombardıman edilir.



1985 yılında Kroto ve arkadaşları  bir helyum atmosferinde 10 bar basınç altında, dönen bir grafit diski lazer tarafından ışıklandırarak az miktarda fulleren üretimi gerçekleştirdiler.

He gazı ortamına konan bir grafit hedefin laser ablasyonu ile C60 üretimi gerçekleştirilmiştir. Yoğun laser pulsları kullanılarak gerçekleştirilen laser ablasyonu yoluyla sıcak karbon plazması üretilmektedir. Bu sıcak plazmanın gaz ortamı içinde karbon demetleri haline dönüştüğü uçuş zamanlı kütle spektrometresi kullanılarak gözlemlenmiştir

3.1 Laser Sputtering Yöntemi

Bu yöntemde grafit disk orta şiddetli bir lazerle ışınlanmaktadır. Hedef olarak kullanılan grafit disk döndürelerek yüzeydeki aşınmanın düzgün olması sağlanmaktadır. Oluşan karbon buharı daha sonra yoğunlaşarak, çok küçük bölümü fulleren olan karbon kümelerini oluşturur.

Bu yöntemde katkılanmak istenen malzeme buhar fazında olması gerek. Yapılan ilk deneylerde LaCl3 kullanılmıştır.

3.2 Elektrik Ark Yöntemi

Bu yöntem Kratchemer ve Huffman tarafından geliştirilen bir yöntem olup iki grafit arasında elektrik arkı oluşturularak grafitin buharlaştırılması prensibine dayanır. Katkılanmak istenen elementler lazerde olduğu gibi grafit içerisine eklenmesi yeterlidir. Bu yöntem lazerle karşılaştırıldığı zaman maliyet bakımından çok fark vardır. Ark yöntemindeki malzemeler daha kolayca bulunabilir ve maliyeti düşük malzemelerdir.

3.3 Gaz Ortamında Fullerenlerin Katkılanması

Önceden üretilmiş fullerenler yüksek sıcaklık ve basıçtaki gaz ortamında uzun süre bekletilerek katkılanabilmektedir. Bu yöntem genelikle He, Ne, Arr, Kr, Xe asal gazlarını yada CO gibi basit molekül yapısına sahip gazları içieren endohedral fullrenleri elde etmekte kullanılmaktadır.

Endohedral fulleren üretimi için en uygun şartlar, katılmak istenen moleküle göre değişöekle beraber 600- 1000 C* sıcaklık aralığında ve birkaç bin atmosferlik basınçta oluşmaktadır. Bu yöntemle üretilen endohedral fullerenlerin oranı %0,1’i geçmemektedir. Ayrıca bu yöntem birden fazla atomun fulleren kafesi içine girmesine de olanak sağlamaktadır.

3.4 İyon Aşılama ile Fullerenlerin Katkılanması

Oldukça etkili katkılama yöntemlerinden biri de, fullerenlerin katkılanmak istenen elementin iyonlarıyla bombardıman edilmesidir. Bu yöntem yüksek kimyasal reaktiviteye sahip azot (N) gibi elementlerle yapılır. Bu sayede azot içeren endohedral moleküllerin elde edilmesi mümkündür. İki farklı deney düzeneği vardır. Bunlardan ilki C60 filmi bakır tabann üzerine büyütülürken aynı anda azot iyonlarıyla bombardıman edilmektedir

NC60 endohedral fulleren elde etmekte kullanılan diğer düzenekte ise iki elektrot ile içinden azot gazı geçen bir kuartz tüp bulunmaktadır. Tüğün orta kısmı, aynı zamanda da C60’ın konulduğu yer olup ısıtıcı ile çevrelenmiştir. Elektrotlardan deşarj akımı geçerken C60 su soğutmalı katod üzerine yoğunlaşmaktadır.

Saatler süren deşarj işleminden sonra 10 – 50 mg C60 ile 10-3 -10 -4 mg NC60 katotta birikmektedir. Oldukça az miktarda üretim olmasına rağmen sistemin kolay olması tercih edilmesine sebep olmuştur.

Kaynakça

  • Eulises Ulloa, Fullerenes and their Applications in Science and Technology, 4138296 EEE-5425 Introduction to Nanotechnology Spring 2013
  • Sujit Kumar Mondal, Synthesis Of Novel Mesoporous Fullerene And Its Application To Electro-oxidation Of Methanol,,
  • Greg T. Hermanson, Bioconjugate Techniques (Third edition), Chapter 16 – Buckyballs, Fullerenes, and Carbon Nanotubes, 741 – 755, 2013

 

BİNLERCE ABONE ARASINA KATIL

En kaliteli, en geçerli, en iyi mühendislik bilgilerini abone olarak, takipte kalarak öğrenebilirsin!

Abonelik işleminiz tamamlandı.

Hata oluştu.

Share on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+Share on LinkedIn
TAGS:

Facebook Yorumları

MalzemeBilimi.Net Yorumları