Fullerene Die symmetrischsten Moleküle der Natur

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

1 Fullerene Die symmetrischsten Moleküle der Natur

2 Fullerene Die symmetrischsten Moleküle der Natur

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 Bucky-Ball ( C60) 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 C60 : größte Stabilität aller Fullerene

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

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

7 Kohlenstoffverbindungen
Kettenmoleküle Ringmoleküle Graphit Diamant Fullerene (C78)

8 Entdeckung der Fullerene I 1970: Corannulen
1970: Osawa extrapoliert gekrümmte Moleküle C20H10 ist ein Drittel von C60 Veröffentlichung nur in japanischen Zeitschriften

9 Entdeckung der Fullerene IIa 1985
1985: Kroto, Curl und Smalley ... ... Untersuchung des Staubs kohlenstoffreicher Sterne Kohlenstoffverbindungen bei hohen Temperaturen Simulation durch Graphitverdampfung per Laser

10 Entdeckung der Fullerene IIb
Benutzung eines Flugzeitspektrographen Zunehmendes Selektion des C60 - Signals durch Optimierung des Versuchsaufbaus Nobelpreis 1996 für Kroto, Curl und Smalley

11 Gewinnung von Fullerenen I 1990
Ausbeute an C60 bei Kroto et. al. ist äußerst gering 1990: Krätschmer und Huffman arbeiten mit der Lichtbogenmethode

12 Gewinnung von Fullerenen II nach 1990
Ausbeute von bis zu 15% Fullerenen im Ruß Extraktion der Fullerene durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie mit Toluol 100 mg C60 kosten im Jahr 2000 nur noch 50,- €

13 Fullerene als Kristalle
Fullerene können kristallisiert werden - nicht nur C60 C60: Schmelzpunkt: über 360° Celsius C60: Dichte bei 20° Celsius: 1,65 g / cm3 Dotieren: interessante physikalische Eigenschaften

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 , 2., 3. Gruppe, Eisen und Lanthanide

15 Endohedrale Fullerene I
Herstellung: Verdampfen Graphit + La2O3 Analyse mit Chromatographie und Massenspektrometer Entstand wirklich das Endohedral Fulleren ?

16 Endohedrale Fullerene II Entstand wirklich das Endohedral-Fulleren La@C82 ?
Fragmentierungsversuche und Röntgenabsorptionsspektrogramme in Gasphase: ambivalent Positiver Befund 1 in Gasphase: Eingeschlossene Lanthan-Atome reagierten nicht mit H2, O2, NO, NH3 Positiver Befund 2 bei adsorbierten Fullerenen: Rastertunnelbild: große Kugelformen, keine kleinen Metallionen sichtbar Positiver Befund 3: Messung in fester Phase: Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) von

17 Endohedrale Fullerene III Vorentscheidung: Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
a) TEM von b) wie a) aber Fourier-gefiltert bzw. verstärkt c) Simuliertes Bild von d) Simuliertes Bild von reinem C84

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

19 Endohedrale Fullerene V MEM (Maximum Entropy Method: Dichtebild) von Y@C82

20 Endohedrale Fullerene VI
keine Rotationen C82: Rotationen sind frei Erklärung: ist ein Dipol Ladungsaustausche zwischen Kohlenstoff und Metall im Festkörper: Anordung in Reihe wegen der Dipole Lanthan liegt nach Electron Spin Resonanz als La3+ in vor Metallion bewegt sich bei Raumtemperatur (rechts) keine Bewegung: leichte Elemente sind stärker gebunden

21 Endohedrale Fullerene VII Weitere Erkenntnisse:
Metallofullerene auch auf Basis von C72, C74 instabil => Verbindungen á la bleiben weitgehend unerforscht Aber: wurde schließlich spektroskopisch nachgewiesen und in Simulation berechnet Ergebnis: auch bei u. sitzt das Ion 0,7 nm vom Zentrum entfernt

22 Endohedrale Fullerene VIII Polymetallfullerene
Existenz von Polymetallofullerenen wie ... (links): 13C NMR und 139La NMR : komplette Rotationsbewegung der Elektronen mit steigender Temperatur Ursache: kreisförmig-konzentrisches Potential innerhalb C806-

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 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 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 Schluss Was fehlt? Nanoröhrchen Anmerkung:
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 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.