FULLERENI

FULLERENI

Nome attribuito a una serie di aggregati (clusters) formati da un elevato numero, pari, di atomi di carbonio (da 40 a 190 circa) caratterizzati da un'elevata stabilità. Furono scoperti nel 1985 all'università di Houston da E. Smalley e collaboratori, che stavano studiando la formazione di clusters di atomi metallici mediante una tecnica di vaporizzazione con laser a pulsazione (si forma un gas di ioni metallici che, asportati dalla zona calda a mezzo di una corrente di elio, durante il raffreddamento fino a temperatura ambiente tendono a ricombinarsi con formazione di aggregati con numero più o meno grande di atomi). Applicando questa tecnica alla vaporizzazione di grafite, nell'intento di ricavare informazioni sulla formazione di lunghe catene di molecole di poliacetilene (che si ritiene si generino negli spazi interstellari, Smalley e coll. riscontrarono la formazione sia di molecole di poliacetilene sia di aggregati di atomi di carbonio, fra i quali quello presente in maggiore misura risultava formato da 60 atomi di carbonio. Per esso fu supposta una struttura sferoidale, formata da 60 vertici e 32 facce (12 pentagonali e 20 esagonali, di aspetto simile a quello di un pallone da calcio, per la quale, per analogia con le strutture delle cupole disegnate e realizzate dall'architetto R. Buckminster Fuller (v. App. IV, I, p. 878, fu proposto il nome di buckminsterfullerene (da cui deriva quello di f. per tutti gli altri componenti del gruppo). La struttura, a icosaedro troncato, contiene (v. fig.) legami carbonio-carbonio semplici e doppi.

Questa struttura sferoidale, inizialmente supposta, è stata poi confermata (ha un diametro di circa 5 Å, e si formerebbe per l'accartocciarsi di strutture piane di grafite, formate da esagoni, parte dei quali si trasformerebbero in pentagoni per le distorsioni che si producono nella formazione del solido tridimensionale). All'iniziale curiosità sollevata dai f. sono seguite da più parti approfondite ricerche, che hanno dato inizio a un capitolo della chimica che si presenta ricco di interessi teorici e anche applicativi.

Inizialmente si ritenne che il principale f., quello a 60 atomi di carbonio, C₆₀, fosse chimicamente inerte, ma ben presto si è dimostrato che esso presenta una buona reattività specie verso radicali liberi di origine fotochimica (contiene 30 doppi legami >C=C〈). Con tecniche spettrografiche sono stati identificati prodotti di reazione con radicali benzilici e metilici; è stata dimostrata la possibilità di reazioni di addizioni nucleofile e di reazioni con molecole dipolari (difenildiazometano); si è prospettata la possibilità di preparare polimeri contenenti l'aggregato C₆₀ in diversa disposizione. Alcuni dei prodotti preparati si sono dimostrati interessanti per le loro caratteristiche; specialmente quelli con molecole di difenile si prestano a dare derivati di vario tipo. Sono stati preparati derivati di ossidazione del C₆₀, stabili, suscettibili di reagire con alcoli per la formazione di eteri. Un'importante serie di derivati è quella di f. contenenti nella struttura atomi diversi dal carbonio, in sostituzione di questo, per es.: C₅₉B, C₅₈B₂, C₅₇B₃ (oltre al boro si possono avere altri sostituenti).

Sono stati anche preparati diversi metallofullereni, nei quali gli atomi aggiuntivi non vanno a sostituire atomi di carbonio, ma si inseriscono all'interno della gabbia, cioè della struttura sferoidale; particolarmente studiati sono i prodotti contenenti atomi di lantanio e di yttrio, per es.: LaC₆₀, YC₆₀, LaC₈₂, YC₈₂, ecc.; l'yttrio è risultato più facile da inserire rispetto al lantanio. Questi composti hanno la caratteristica di essere solubili in solventi organici (specie toluene, ma anche piridina, a differenza dei f. che non lo sono affatto.

Un capitolo molto importante per le possibili conseguenze pratiche riguarda l'introduzione nella struttura di elementi alcalini. Introducendo atomi di potassio, di sodio, di rubidio, ecc. in un f. sotto forma di film, si ha un prodotto caratterizzato da un'elevata conduttività elettrica, che lascia presagire la possibilità di formare conduttori tridimensionali. Inoltre, a bassissima temperatura, questi prodotti presentano superconduttività; quelli con potassio a temperatura di 18÷19 K, quelli con rubidio e tallio a 45÷48 K, quelli con iodio a 57 K.

Tutti questi prodotti si ottengono sempre con lo stesso sistema: vaporizzando con laser grafite impregnata di sali diversi.