Možné riziko výskytu uhlíkatých nanočástic v pevných produktech hoření. Nanosloučeniny a životní prostředí

Fullereny – nanosloučeniny

Fullereny – nanosloučeniny

Uhlík je základní prvek organických sloučenin, u kterého byly dlouhou dobu známy pouze dvě alotropické formy - grafit a diamant. V roce 1985 byla objevena třetí modifikace uhlíku, což jsou obří molekuly složené z více než dvaceti atomů uhlíku umístěných ve vrcholech různých mnohostěnů, více či méně kulovitých tvarů. Tyto molekulární útvary dostaly název fullereny na památku známého amerického architekta R. B. Fullera (podobnost se skeletem
geodetických domů navržených u příležitosti Světové výstavy v Montrealu 1967). Za objev a studium fullerenů získali v roce 1996 američtí profesoři R. E. Smalley a R. F. Curl a britský profesor H. W. Kroto Nobelovu cenu za chemii.

Původní příprava fullerenů, která umožnila jejich objev, probíhala vypařováním grafitových elektrod v prostředí He, kondenzací získaných sazí a následnou extrakcí fullerenů v organickém rozpouštědle. Kromě hlavního produktu fullerenů C₆₀ se získají i fulleren C₇₀ a vyšší, např. C₇₆, C₇₈, C₈₄, ale i nestálé s nižším množstvím atomů uhlíku.

Celosvětově spuštěná lavina nejrůznějších experimentů s fullereny a jeho deriváty si vynutila najít průmyslově vhodnější způsob jeho výroby než vypařováním z grafitových elektrod. Tak následně vznikly výrobní způsoby, kdy lze fullereny získat řízeným spalováním, parciální oxidací či pyrolýzou řady uhlovodíků bohatých na uhlík.

Nejznámější, a svými vlastnostmi nejzajímavější molekulou mezi fullereny, je molekula C₆₀. V porovnání s ostatními molekulami fullerenů má nejdokonalejší kulový tvar. Má strukturu komolého ikosaedru, jehož povrch tvoří dvacet šestiúhelníků a dvanáct pětiúhelníků (obdoba fotbalového míče), viz obr. 1. Rovnocenné atomy uhlíkaté molekuly se vyznačují trigonální sp² hybridizací. Pětiúhelníky jsou tvořeny jednoduchými kovalentními vazbami, šestiúhelníky
tvoří systém alternujících jednoduchých a dvojných vazeb. Delokalizaci π elektronového systému jako v případě vícejaderných aromatických systémů však fulleren nevykazuje, protože nemůže díky tvaru molekuly dojít k překryvu p – orbitalů, a tím k úplné delokalizaci π elektronů. Kondenzací fullerenových molekul se vytváří pevná krystalická fáze, tzv. fullerit s plošně kubickou mřížkou s mřížkovou konstantou 1,416 nm. Vzhledem k tomu, že molekuly fullerenu vzájemně interagují prostřednictvím Van der Walsových sil, je fullerenit mnohem měkčí ve srovnání s ostatními alotropními formami uhlíku. Krystal fulleritu má 34% volného objemu, do kterého lze poměrně snadno začlenit (interkalovat) např. atomy alkalických kovů, kyslík, ferocen, helium apod. [2] .

Obr. 1 Strukturní molekula C₆₀

Zásadní rozdíl oproti grafitu a diamantu je rozpustnost C₆₀ v nepolárních organických rozpouštědlech, ať je to tetrahydrofuran (THF), toluen, benzen, 1,2 dichlorbenzen, xylen, sirouhlík apod. Barvy těchto roztoků jsou pestré, např. hnědožlutá, fialová, červenofialová a jsou příznačné pro přechod π – π elektronů. Zároveň byl prokázán různý stupeň solvatací C₆₀ v těchto rozpouštědlech [3]. Rozpustnost fullerenu C60 v organických rozpouštědlech je
prvním předpokladem pro řadu následujících syntéz, viz níže.