Buckyballs: dalla cenere alla superconduttività

buckyballs.jpgLe buckyballs (già conosciute come molecole di carbonio-60) sono molecole cave composte da 60 atomi di carbonio strutturate come un pallone da calcio e unite da legami chimici semplici e doppi. In questo documento si esplorano alcune proprietà interessanti delle buckyballs.

A causa della sua struttura tutta di carbonio e alla sua straordinaria stabilità chimica, il carbonio-60 è stato spesso considerato come la terza forma più importante di carbonio puro, dopo il diamante e la grafite.

L e Buckyballs prendono il loro nome dall’americano R. Buckminster Fuller architetto, inventore, predicatore, che progettò una cupola geodesica di forma simile. Infatti il nome ufficiale delle buckyballs è buckminsterfullerenes. 

Prima della scoperta delle buckyballs, le uniche forme conosciute di carbonio puro erano la grafite ed il diamante, ambedue materiali cristallini. Di contro, i materiali formati dalle buckyballs sono solidi molecolari, e ciò significa che consistono di molecole fullerene singole e autocontenute, che non sono legate chimicamente l’una all’altra. buckyballs2.jpg

Questa figura illustra come le buckyballs siano ammassate a traliccio. Noterete che le palle sono disposte in una struttura tipo FCC, disposizione presente nell’aggregazione di atomi singoli in un cristallo.

Le Buckyballs sono normalmente ottenute provocando una scarica elettrica tra due elettrodi di grafite con un apparecchio simile ad un saldatore ad arco, che avrete probabilmente visto molte volte nei cantieri edili. Il calore generato nei punti di contatto tra gli elettrodi fa evaporare il carbonio e forma della cenere, buckyballs, e altri composti del carbonio. Le buckyballs vengono poi estratte dalla cenere attraverso tecniche di separazione chimica sofisticate.

Poiché i cristalli fullerene consistono di buckyballs, che interagiscono debolmente, le proprietà di questi solidi dipendono sostanzialmente dalla struttura e dalle proprietà delle singole molecole di buckyballs. Studiare queste molecole è, pertanto, importantissimo per capire le proprietà degli svariati materiali utili che possono essere generati dal carbonio-60. In questo lavoro, esploreremo alcune delle proprietà interessanti delle molecole buckyballs.

I sessanta atomi di carbonio del carbonio-60 si trovano nei vertici di un icosaedro tronco. Per capire cosa significa ciò diamo prima un’occhiata ai cinque solidi platonici (poliedri dalla superficie composta da poligoni regolari congrui):

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Ogni solido platonico è rappresentato in due viste. La prima è la vista normale, e la seconda è una rappresentazione "schiacciata" che ci permette di vedere tutti i vertici e gli spigoli del solido.

Per ottenere un icosaedro tronco si procede come suggerisce il nome: si tronca un icosaedro regolare come nella figura qui sotto.

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Il risultato assomiglia alla struttura di un pallone da calcio, che, come sappiamo, è identica ad una molecola buckyball. La vista "schiacciata" (che i matematici chiamano grafo, ma i chimici, che se ne servono per visualizzare molecole complesse, chiamano diagramma di Schlegel) viene mostrata qui sotto:

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Notare che a tutti i sessanta nodi (atomi di carbonio) nel diagramma di Schlegel qui sopra è stato dato un numero dall’uno al sessanta.buckyballs6.jpg

Questo fatto ci permette di costruire facilmente una "matrice ad adiacenza" corrispondente a questo diagramma.

Ciò che abbiamo rappresentato sopra è di fatto una potenza N esima della matrice ad adiacenza. Prendendo potenze intere della matrice ad adiacenza, si possono conoscere il numero di percorsi (detti spesso degenerazioni) verso gli atomi inizialmente più vicini e via via ai più lontani. Avere queste informazioni è molto importante per costruire un modello realistico della molecola. Si potrebbe provare a variare il valore del parametro N, di cui sopra, per calcolare la connessione degli atomi di carbonio in una Buckyball. 

essere connessi percorrendo al massimo otto spigoli (legami ) della molecola. Per convincersi che è proprio così basta rivedere il diagramma di Schlegel di una Buckyball.

Le buckyballs sono solo uno dei membri dello svariato gruppo di molecole al carbonio conosciute come fullerenes. Ecco, per esempio, un altro membro, il nanotubo carbonio:

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Applicazioni

Sebbene la ricerca sulle fullerenes e relativi materiali sia ancora nelle prime fasi, questi materiali dimostrano di possedere molte proprietà eccezionali, alcune delle quali porteranno certamente ad applicazioni pratiche.

Forse, una delle scoperte più affascinanti e potenzialmente più utili è stata di recente fatta da scienziati della Bell Laboratories. Si è trovato che, quando alcuni metalli alcalini ( potassio, rubidio,o cesio) vengono costretti tra le buckyballs in un reticolo, il materiale diventa superconduttore, cioè capace di condurre elettricità senza alcuna resistenza.

Tra le altre applicazioni delle buckyballs, che si stanno sviluppando, vi sono quelle relative a materiali totalmente nuovi (persino pellicole di diamante), farmaci salvavita (vaccini anti AIDS), e complesse tecniche di microfabbricazione (produzione di chips per computer).

Vista la promessa che i materiali, a base di fullerene, influenzeranno innumerevoli aspetti della tecnologia moderna, non deve sorprendere se la scienza delle buckyballs è una delle aree di ricerca più attive.

 

Bibliografia

M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, and P. C. Eklund, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes, Academic Press (New York, 1996).

M. S. Dresselhaus and B. Pevzner, Recent advances in the applications of fullerenes, 21st Century Forum (Yokohama, Japan, 1996).

A. F. Hebard, Doped Fullerenes: A Soot to Superconductivity Story, Physica B Condensed Matter, 197(544), 1994.

Buckyballs – a new sphere of science

Applet Buckminster ball (C60 cage)

Buckyball: a C60 molecule

Tesine per la maturità

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Ci sono 2 commenti su questo articolo:

  1. l’argomento buckyballs è molto interessante nell’ambito fisico-chimico, inoltre le illustrazioni sono chiare e conmprensibili. grazie tante per quese noozioni utili.