Fulereno

Propiedades

La forma cerrada y altamente simétrica de los fullerenos tiene como consecuencia que sean estructuras de gran resistencia física: bajo presiones extremas –como 3.000 atm– se deforman, pero regresan a su estructura inicial al relajar la presión. Por ello su adición a algunos materiales poliméricos les aporta resistencia.

Los fullerenos (habitualmente con un tamaño cercano a 1 nm) se asocian espontáneamente formando agregados de varias moléculas que alcanzan tamaños desde 10 nm hasta varias micras.

Suelen formar un hollín, polvo negro muy fino, pero también cristalizan formando fullerita. La densidad de los fullerenos es moderada, cercana a 1,65. Finalmente, aunque no en agua, pueden solubilizarse en disolventes como benceno, tolueno y cloroformo.

Debido a las uniones intermoleculares débiles mediante fuerzas de van der Waals, el hollín de fullerenos posee propiedades lubricantes (en especial los fullerenos más grandes, las nanocebollas o bucky-cebollas).

Se ha observado asimismo la acción de las nanocebollas como catalizadores (para ello deben convertirse a otra estructura menos organizada), por ejemplo en la producción de estireno a partir de etilbenceno7, mejorando el rendimiento en un 12%.

Propiedades

Durante la última década, las propiedades químicas y físicas de fulerenos han sido un tema candente en el campo de la investigación y el desarrollo, y es probable que siga siendo durante mucho tiempo. Popular Science ha publicado artículos acerca de los posibles usos de los fullerenos en armadura. En abril de 2003, fullerenos fueron objeto de estudio para su posible uso medicinal: antibióticos específicos de unión a la estructura para atacar bacterias resistentes e incluso apuntar ciertas células de cáncer como el melanoma. El número de octubre de 2005, de Química y Biología contiene un artículo que describe el uso de fullerenos como agentes antimicrobianos activadas por la luz.

En el campo de la nanotecnología, resistencia al calor y la superconductividad son algunas de las propiedades más intensamente estudiadas.

Un método común utilizado para producir fullerenos es enviar una gran cantidad de corriente entre dos electrodos de grafito cercanos en una atmósfera inerte. El arco de plasma de carbono resultante entre los electrodos se enfría en residuos de hollín que muchos fullerenos pueden ser aislados.

Hay muchos cálculos que se han hecho con métodos cuánticos ab-initio aplicados a fullerenos. Por métodos DFT y TD-DFT se puede obtener espectros IR, Raman y UV. Los resultados de estos cálculos se pueden comparar con los resultados experimentales.

Aromaticidad

Los investigadores han sido capaces de aumentar la reactividad de los fullerenos uniendo grupos activos a sus superficies. Buckminsterfullerene no exhibe "superaromaticity": es decir, los electrones de los anillos hexagonales no deslocalizar sobre toda la molécula.

Un fulereno esférico de átomos de carbono, n tiene n electrones pi-unión, libres de deslocalizar. Deben tratar de deslocalizar en toda la molécula. La mecánica cuántica de una disposición de este deben ser como una concha sólo de la conocida estructura mecánica cuántica de un solo átomo, con una cáscara llena estable para n = 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, 128, etc, es decir, dos veces un número cuadrado perfecto, pero esta serie no incluye 60. Esta regla 22 de aromaticidad esférica es el análogo tridimensional de la regla de Hckel. El ción 10 se cumple esta regla, y debe ser aromático. Esto se ha demostrado para ser el caso utilizando modelización química cuántica, que mostró la existencia de fuertes corrientes esfera diamagnéticos en el catión.

Como resultado, C60 en agua tiende a recoger dos electrones más y convertirse en un anión. El NC60 se describe a continuación puede ser el resultado de C60 tratando de formar un enlace metálico suelto.

Química

Los fullerenos son estables, pero no totalmente no reactiva. Los átomos de carbono sp2-hibridados, que están en su mínimo de energía en grafito planar, deben ser doblados para formar la esfera o tubo cerrado, que produce tensión angular. La reacción característica de los fullerenos es adición electrofílica al 6,6 dobles enlaces, lo que reduce la tensión angular cambiando carbonos sp2-híbridas en los sp3-hibridizados. El cambio en los orbitales hibridados hace que los ángulos de enlace a disminuir desde aproximadamente 120 en los orbitales sp 2 a aproximadamente 109,5 en los orbitales sp3. Esta disminución en ángulos de enlace permite que los bonos para doblar menos cuando el cierre de la esfera o tubo, y por lo tanto, la molécula se vuelve más estable.

Otros átomos pueden ser atrapados dentro de los fullerenos para formar compuestos de inclusión conocidas como fullerenos endohedral. Un ejemplo excepcional es el huevo en forma de fullereno Tb3N @ C84, lo que viola la regla pentágono aislado. La evidencia reciente de un impacto de un meteorito a finales del período Pérmico fue encontrado por el análisis de los gases nobles para conservas. Inoculantes basados metallofullerene usando el proceso de acero rhonditic están comenzando la producción como uno de los primeros usos comerciales de las buckyballs.

Solubilidad

Los fullerenos son poco solubles en muchos disolventes. Disolventes comunes para los fullerenos incluyen hidrocarburos aromáticos, tales como tolueno, y otros como disulfuro de carbono. Soluciones de buckminsterfullerene puro tienen un color púrpura intenso. Soluciones de C70 son de un color marrón rojizo. Los fullerenos C76 a C84 más altos tienen una variedad de colores. C76 tiene dos formas ópticas, mientras que otros fulerenos superiores tienen varios isómeros estructurales. Los fulerenos son la única conocida forma alotrópica de carbono que se puede disolver en disolventes comunes a temperatura ambiente.

Algunas estructuras de fullereno no son solubles debido a que tienen una pequeña brecha de banda entre el suelo y los estados excitados. Estos incluyen el pequeño fullerenos C28, C36 y C50. La estructura de C72 es también en esta clase, pero la versión endohedral con un átomo de lantánido-grupo atrapado es soluble debido a la interacción del átomo de metal y los estados electrónicos de la fullereno. Los investigadores originalmente habían sido confundidos por C72 estar ausente en el extracto de hollín plasma generado fullereno, pero se encontró en las muestras endohedral. Pequeños fullerenos brecha de la banda son muy reactivos y se unen a otros fullerenos o partículas de hollín.

Los disolventes que son capaces de disolver buckminsterfullereno se enumeran a la izquierda en orden de mayor solubilidad. El valor de solubilidad determinada es la concentración de saturación aproximada.

Solubilidad de C60 en algunos disolventes muestra un comportamiento inusual debido a la existencia de fases solvato. Por ejemplo, la solubilidad de C60 en la solución de benceno muestra máximo a aproximadamente 313 K. La cristalización en solución de benceno a temperaturas por debajo de los máximos resultados en la formación de triclínico sólido solvato con cuatro moléculas de benceno C604C6H6 que es bastante inestable en el aire. Fuera de solución, esta estructura se descompone en habitual C60 cúbica centrada en las caras en pocos minutos en el tiempo. A temperaturas por encima de la máxima solubilidad del solvato no es estable incluso cuando se sumerge en solución saturada y se funde con la formación de FCC C60. La cristalización a temperaturas por encima de los máximos resultados de solubilidad en la formación de pura fcc C60. Cristales milimétricos de C60 y C70 se pueden cultivar en la solución tanto para solvatos y fullerenos puros.

La mecánica cuántica

En 1999, investigadores de la Universidad de Viena demostró que la dualidad onda-partícula se aplica a moléculas como fullereno. Uno de los co-autores de esta investigación, Julian Voss-Andreae, ha creado ya varias esculturas que simbolizan la dualidad onda-partícula de fullerenos.

Superconductividad

Quiralidad

Algunos fulerenos son intrínsecamente quiral, ya que son D2-simétrica, y se han resuelto con éxito. Los esfuerzos de investigación en curso para desarrollar sensores específicos para sus enantiómeros.

El uso en la investigación del tumor

Si bien la investigación del cáncer pasada ha implicado la radioterapia, la terapia fotodinámica es importante estudiar porque los avances en los tratamientos para las células tumorales darán más opciones a los pacientes con diferentes condiciones. Experimentos más recientes que utilizan células HeLa en la investigación del cáncer implica el desarrollo de nuevos fotosensibilizadores con un aumento de la capacidad para ser absorbido por las células cancerosas y todavía desencadenar la muerte celular. También es importante que un nuevo fotosensibilizador no permanece en el cuerpo durante un largo tiempo para prevenir el daño celular no deseada.

Los fullerenos se pueden hacer para ser absorbido por las células HeLa. Los derivados de C60 pueden ser entregados a las células mediante el uso de los grupos funcionales L-fenilalanina, ácido fólico, y L-arginina entre otros. El propósito para funcionalizar los fullerenos es aumentar la solubilidad de la molécula por las células cancerosas. Células cancerosas absorben estas moléculas en un aumento de la tasa debido a una regulación al alza de los transportadores en la célula cancerosa, en este caso transportadores de aminoácidos traerán en la L-arginina y grupos funcionales L-fenilalanina de los fullerenos.

Una vez absorbido por las células, los

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