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1 Fullerene Die symmetrischsten Moleküle der Natur.

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Präsentation zum Thema: "1 Fullerene Die symmetrischsten Moleküle der Natur."—  Präsentation transkript:

1 1 Fullerene Die symmetrischsten Moleküle der Natur

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3 3 Inhalt 1. Einleitung: Fullerene, Kugeln oder Käfige aus Kohlenstoff 2. Geometrischer Exkurs 3. Die Besonderheiten von Kohlenstoff 4. Historische Anmerkungen 5. Herstellung von Fullerenen 6. Endohedrale Fullerene: Eimer (mit Inhalt) 7. Berechnungen von Fullerenen 8. Mögliche Anwendungen 9. Schluß

4 4 Bucky-Ball ( C 60 ) Die ideale Fußballgestalt des Bucky-Balls: Fußball = abgestumpfter Ikosaeder Ikosaeder = 20-Flächner Fußball: 12 Fünfecke + 20 Sechsecke Alle 12 Fünfecke sind durch Sechsecke getrennt Symmetriegruppe des Fußballs: 120 Elemente C 60 : größte Stabilität aller Fullerene

5 5 Warum Bucky-Balls oder Buckmister-Fullerene? Richard Buckminster Bucky Fuller Amerikanischer Architekt Entwurf geodätischer Kuppeln Mitbegründer des Wortes Synergie

6 6 Besonderheiten des Kohlenstoffs 4 bindende Elektronen geringe Atomgröße (2 nm) wenig Störungen durch innere Elektronen => größte Verbindungsvielfalt aller Elemente

7 7 Kohlenstoffverbindungen Kettenmoleküle Ringmoleküle Graphit Diamant Fullerene (C 78 )

8 8 Entdeckung der Fullerene I 1970: Corannulen 1970: Osawa extrapoliert gekrümmte Moleküle C 20 H 10 ist ein Drittel von C 60 Veröffentlichung nur in japanischen Zeitschriften

9 9 Entdeckung der Fullerene IIa : Kroto, Curl und Smalley Untersuchung des Staubs kohlenstoffreicher Sterne Kohlenstoffverbindungen bei hohen Temperaturen Simulation durch Graphitverdampfung per Laser

10 10 Entdeckung der Fullerene IIb Benutzung eines Flugzeitspektrographen Zunehmendes Selektion des C 60 - Signals durch Optimierung des Versuchsaufbaus Nobelpreis 1996 für Kroto, Curl und Smalley

11 11 Gewinnung von Fullerenen I 1990 Ausbeute an C 60 bei Kroto et. al. ist äußerst gering 1990: Krätschmer und Huffman arbeiten mit der Lichtbogenmethode

12 12 Gewinnung von Fullerenen II nach 1990 Ausbeute von bis zu 15% Fullerenen im Ruß Extraktion der Fullerene durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie mit Toluol 100 mg C 60 kosten im Jahr 2000 nur noch 50,-

13 13 Fullerene als Kristalle Fullerene können kristallisiert werden - nicht nur C 60 C 60 : Schmelzpunkt: über 360° Celsius C 60 : Dichte bei 20° Celsius: 1,65 g / cm 3 Dotieren: interessante physikalische Eigenschaften

14 14 Dotierte und modifizierte Fullerene Exohedrale Fullerene: zusätzliche Atome im Fullerenkristall => evtl. Supraleitung bis 33 Kelvin Heterohedrale Fullerene:C-Atome sind durch andere Atome ersetzt => hochinteressante Chemie Endohedrale Fullerene:ein bis mehrere eingeschlossene Atome 1., 2., 3. Gruppe, Eisen und Lanthanide

15 15 Endohedrale Fullerene I Herstellung: Verdampfen Graphit + La 2 O 3 Analyse mit Chromatographie und Massenspektrometer Entstand wirklich das Endohedral Fulleren 82 ?

16 16 Endohedrale Fullerene II Entstand wirklich das Endohedral-Fulleren 82 ? Fragmentierungsversuche und Röntgenabsorptionsspektrogramme in Gasphase: ambivalent Positiver Befund 1 in Gasphase: Eingeschlossene Lanthan-Atome reagierten nicht mit H 2, O 2, NO, NH 3 Positiver Befund 2 bei adsorbierten Fullerenen: Rastertunnelbild: große Kugelformen, keine kleinen Metallionen sichtbar Positiver Befund 3: Messung in fester Phase: Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) von Sc 84

17 17 Endohedrale Fullerene III Vorentscheidung: Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) a) TEM von Sc 84 b) wie a) aber Fourier-gefiltert bzw. verstärkt c) Simuliertes Bild von Sc 84 d) Simuliertes Bild von reinem C 84

18 18 Endohedrale Fullerene IV Entscheidung: Röntgenstrukturanalyse mit Synchrotonstrahlung Gewähltes Fulleren: 82 Oben: Errechnete Dichtebilder Unten: Röntgenstrukturbild

19 19 Endohedrale Fullerene V MEM (Maximum Entropy Method: Dichtebild) von 82

20 20 Endohedrale Fullerene VI 82: keine Rotationen C 82: Rotationen sind frei Erklärung: 82 ist ein Dipol 82: Ladungsaustausche zwischen Kohlenstoff und Metall 82: im Festkörper: Anordung in Reihe wegen der Dipole Lanthan liegt nach Electron Spin Resonanz als La 3+ in La vor 82 : Metallion bewegt sich bei Raumtemperatur (rechts) 82, 82 : keine Bewegung: leichte Elemente sind stärker gebunden

21 21 Endohedrale Fullerene VII Weitere Erkenntnisse: Metallofullerene auch auf Basis von C 72, C 74 60, 70 instabil => Verbindungen á la 60, 60 bleiben weitgehend unerforscht Aber: Ca wurde schließlich spektroskopisch nachgewiesen und in Simulation berechnet Ergebnis: auch bei Ca u. Sc sitzt das Ion 0,7 nm vom Zentrum entfernt

22 22 Endohedrale Fullerene VIII Polymetallfullerene Existenz von Polymetallofullerenen wie 80, Sc 80, Sc 84, Sc La 80 (links): 13 C NMR und 139 La NMR : komplette Rotationsbewegung der Elektronen mit steigender Temperatur Ursache: kreisförmig-konzentrisches Potential innerhalb C 80 6-

23 23 Berechnung von Fullerenen I Eulerscher Polyedersatz Euler: E + F - K = 2 E = Anzahl der Ecken F = Anzahl der Flächen K = Anzahl der Kanten P = Anzahl der Pentagone H = Anzahl der Hexagone Schlußfolgerungen: Jedes Polyeder aus 5- und 6-Ecken enthält genau 12 Fünfecke Zahl der 6-Ecke ist frei (aber gerade)

24 24 Berechnung von Fullerenen II IPR-Ansatz: : Isolated Pentagon Rule IPR: Stabilität, wenn alle Pentagone durch (beliebig viele) Hexagone von allen anderen Pentagonen isoliert sind. Probleme bei der Simulation von Fullerenen: - Anzahl der Rechenoperationen in Abh. von C-Atomen astronomisch hoch. - Kombination (semi-)empirischer Methoden dennoch sehr leistungsfähig.

25 25 Mögliche Anwendungen (advanced materials!) Verbesserung von Katalysatoren (Steigerung Effektivität bei Palladium, Ruthenium) Laserschutzschichten Elektrooptische Anwendungen: neue fotochemische Eigenschaften, künstliche Fotosynthese Funktionspolymere: z. B. eindimensionale Metalle Evtl. bessere Supraleiter (höhere Sprungtemperaturen) Billigere Herstellung künstlicher Diamanten: Herstellung bei Raumtemperatur; bessere Ausbeute Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Ionentriebwerken durch um 5-fach vergrößerte Masse gegenüber dem bislang verwendeten Xenon Biologie/Medizin: Ausnutzen der besonderen Bindungseigenschaften, um pharmazeutisch wirksame funktionelle Gruppen in den Körper, an den Erreger u. s. w. zu transportieren

26 26 Schluss 1. Einleitung: Fullerene, Kugeln oder Käfige aus Kohlenstoff 2. Geometrischer Exkurs 3. Die Besonderheiten von Kohlenstoff 4. Historische Anmerkungen 5. Herstellung von Fullerenen 6. Endohedrale Fullerene: Eimer (mit Inhalt) 7. Berechnungen von Fullerenen 8. Mögliche Anwendungen 9. Schluß Was fehlt? Nanoröhrchen Anmerkung: Chemie der Fullerene ist ebensfalls ein hochinteressantes Thema

27 27 Literatur Fullerenes: chemistry, physics, and technology. Edited by Karl M. Kadish..., - New York, Weinheim: Wiley Interscience, Specially Chapter 8, p. 357 ff., chapter 9, p. 395 ff. Signature: 5C 408. Fullerenes and related materials: selected papers presented at Symposium C of the {IUMRS-ICAM 99}; Beijing, China June New York: Pergamon, Signature: magazines G1, 2ZA , 2000, II Fullerene Materials in: Fullerenes and related structures: edited by A. Hirsch. Berlin, Heidelberg, Springer chemistry, physics, and technology. Specially P by Maurizio Prato.


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