BUCKYBALLS (ΦΟΥΛΕΡΕΝΙΑ)

Transcript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΜΑΘΗΤΕΣ BUCKYBALLS (ΦΟΥΛΕΡΕΝΙΑ) Εικονικό εργαστήριο: 1

2 ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΙΝ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ Τα φουλερένια (Buckyballs) είναι το 3 ο από τα αλλότροπα του άνθρακα που έχουν ανακαλυφθεί τα τελευταία χρόνια. Τα αλλότροπα είναι διαφορετικοί δομικοί μετασχηματισμοί ενός στοιχείου. Τα αλλότροπα ενός στοιχείου έχουν διαφορετικό τρόπο να σχηματίζουν ενώσεις, άρα σχηματίζουν διαφορετικές φυσικές δομές. Τα αλλότροπα έχουν διαφορετικές φυσικές ιδιότητες αλλά ίδιες χημικές ιδιότητες. Δίνουν ακριβώς τις ίδιες αντιδράσεις αλλά οι χημικές τους ιδιότητες είναι διαφορετικές, και τα άτομα έχουν ίδιου τύπου δεσμούς ανάμεσα τους, αλλά με διαφορετικούς τρόπους. Μερικά γνωστά παραδείγματα αλλοτρόπων είναι: Τα O 2 και O 3, ο λευκός και ο ερυθρός φώσφορος, και τα πιο σημαντικά είναι τα αλλότροπα του άνθρακα, του γραφίτη, του διαμαντιού και τα φουλερένια (buckyballs). Η Μαγεία του Άνθρακα Ο άνθρακας είναι το βασικό στοιχείο σχηματισμού οργανικών ενώσεων. Ο άνθρακας βρίσκεται παντού ανάμεσα μας και μέσα σε εμάς. Υπάρχει στο DNA, το RNA, τις πρωτεΐνες, τα λίπη, τους υδατάνθρακες, τις βιταμίνες, τα ένζυμα, ακόμα και στην ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη). Περίπου το 20% του ανθρώπινου σώματος είναι άνθρακας. Τρίβεται στο χαρτί για να εκφράσει ιδέες. Σε κάποιες κοινωνίες συμβολίζει την αγάπη και την αφοσίωση. Είναι βασικό συστατικό στα ορυκτά καύσιμα και, δεν αποτελεί έκπληξη ότι αποτελεί κεντρικό συστατικό στον αναπτυσσόμενο τομέα της νανοτεχνολογίας. Από ότι φαίνεται, ο άνθρακας τείνει να γίνει το θαυματουργό στοιχείο της Νανοεποχής. Η νέα εποχή της μοριακής νανοτεχνολογίας ονομάζεται επίσης Εποχή των Διαμαντιών, κάνοντας αναφορά στις τεράστιες δυνατότητες που έχει ο άνθρακας ως δομικό υλικό για κάθε χρήση Ο άνθρακας έχει μια μοναδική ικανότητα να μετατρέπει μια χημικά σταθερή, δισδιάστατη μεμβράνη πάχους ενός ατόμου σε έναν τρισδιάστατο κόσμο. Και αυτό, πιστεύω, θα είναι πολύ σημαντικό για το μέλλον της χημείας και γενικότερα της τεχνολογίας Richard Smalley Ο άνθρακας μπορεί να σχηματίσει το σκληρότερο υλικό στον κόσμο: το διαμάντι (κλίμακα ορυκτών Mohs:10), αλλά ταυτόχρονα, μπορεί να σχηματίσει ένα από τα πιο μαλακά υλικά στον κόσμο: το γραφίτη (κλίμακα ορυκτών Mohs:1). Εκτός από τους φυσικούς σχηματισμούς που προκύπτουν από τον άνθρακα, το γραφίτη και το διαμάντι, ο άνθρακας βρίσκεται επίσης στις νάνο δομημένες μορφές των φουλερενίων (buckyballs) και των νανοσωλήνων άνθρακα(cnts). 2

3 ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ -1: Φτιάξτε το δικό σας μοντέλο γραφίτη χρησιμοποιώντας ξυλάκια ίσου μήκους και πλαστελίνη. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα σχήματα 1 και 2 παρακάτω σαν μοντέλα. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την πλαστελίνη για να συμβολίσετε τα άτομα άνθρακα και τα ξυλαράκια για να συμβολίσετε τους δεσμούς μεταξύ τους. Γραφίτης Ο Abraham Gottlob Werner έδωσε το όνομα στο γραφίτη το 1789, από την ελληνική γλώσσα, λόγω της χρήσης του στα μολύβια. Είναι το πιο συνηθισμένο αλλότροπο του άνθρακα. Ένα επίπεδο φύλλο ατόμων άνθρακα πάχους ενός ατόμου, αν τοποθετηθεί πυκνά μεταξύ του ώστε να σχηματίζει εξάγωνο ονομάζεται γραφένιο. Το γραφένιο μοιάζει με ένα συρμάτινο φράχτη πάχους ενός ατόμου το οποίο σχηματίζεται από άτομα άνθρακα και τους δεσμούς ανάμεσα τους. Πολλά φύλλα γραφένιου στοιβαγμένα το ένα πάνω στο άλλο ονομάζονται γραφίτης. Σχήμα 1α: Γραφένιο Σχήμα 1β: Γραφίτης (1) Ο γραφίτης είναι αγωγός και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό για την κατασκευή των ηλεκτροδίων μιας λυχνίας ηλεκτρισμού. Ο ηλεκτρισμός είναι αγώγιμος μόνο στα πλαίσια της επιφάνειας των στρωμάτων του γραφίτη από το ελεύθερο, ασύζευκτο ηλεκτρόνιο κάθε ατόμου άνθρακα το οποίο σχηματίζει μετατοπισμένες επιφάνειες πάνω και κάτω από την επιφάνεια του κάθε ατόμου. Η πούδρα γραφίτη χρησιμοποιείται σαν λιπαντικό. Η λιπαντική ικανότητα του γραφίτη εξαρτάται από τον αέρα και το νερό που απορροφάται από τα στρώματα του (ευθέως ανάλογη). Ο γραφίτης έχει την υπεροχή να είναι η πιο σταθερή μορφή στερεού άνθρακα που έχει ανακαλυφθεί ποτέ. Στις ισότοπες συνθετικές μορφές του, όπως ο πυρολυτικός γραφίτης και τα ανθρακονήματα, είναι ένα εξαιρετικά υλικό δυνατό και ανθεκτικό στη θερμότητα (πάνω από C). Οι μορφές αυτές του γραφίτη χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του ρύγχους πυραύλων, προωθητικούς κινητήρες στερεών καυσίμων, αντιδραστήρες υψηλής θερμοκρασίας, πέδιλων φρένων και ψήκτρες ηλεκτρικών κινητήρων. 3

4 ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ -2: Φτιάξτε το δικό σας μοντέλο διαμαντιού χρησιμοποιώντας ξυλάκια ίσου μήκους και πλαστελίνη. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το σχήμα 3 παρακάτω σαν μοντέλο. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την πλαστελίνη για να συμβολίσετε τα άτομα άνθρακα και τα ξυλαράκια για να συμβολίσετε τους δεσμούς μεταξύ τους. Διαμάντι Το διαμάντι είναι από τα πιο γνωστά αλλότροπα του άνθρακα. Η σκληρότητα του και η ικανότητα του να διαθλά το φως το καθιστούν εξαιρετικά δημοφιλές σε βιομηχανικές εφαρμογές και στη βιομηχανία. Το διαμάντι είναι το σκληρότερο φυσικό μετάλλευμα και ένα από τα ανθεκτικότερα υλικά. Το διαμάντι έχει τη μεγαλύτερη αντοχή από κάθε άλλο υλικό, χαρακτηριστικά, έχει το υψηλότερο σημείο τήξης ( C), τη μεγαλύτερη πυκνότητα και είναι πέντε φορές καλύτερος αγωγός θερμότητας από το ασήμι. Η εξαιρετική ανθεκτικότητα που έχει το διαμάντι οφείλεται στους δεσμούς ανάμεσα στα άτομα άνθρακα από τα οποία αποτελείται. Το κάθε άτομο άνθρακα ενώνεται με ομοιοπολικό δεσμό με τέσσερα άλλα άτομα άνθρακα σχηματίζοντας τετράεδρο. Τα τετράεδρα αυτά σχηματίζουν ένα τρισδιάστατο δίκτυο. Στη βιομηχανία, το διαμάντι χρησιμοποιείται για να κόβει, να τρυπά, να αλέθει και να γυαλίζει. Το διαμάντι θα είναι ένα από τα πιο απλά υλικά που θα μπορούν να κατασκευαστούν από άφθονο και ανέξοδο άνθρακα, με τη χρήση της μοριακής νανοτεχνολογίας (MNT). Σχήμα 2: Το διαμάντι (2) και η κρυσταλλική δομή του (3) 4

5 ΦΟΥΛΕΡΕΝΙΑ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ -3: Φτιάξτε το δικό σας μοντέλο Buckyball χρησιμοποιώντας ξυλάκια ίσου μήκους και πλαστελίνη. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα σχήματα 4 και 5 παρακάτω σαν μοντέλο. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την πλαστελίνη για να συμβολίσετε τα άτομα άνθρακα και τα ξυλαράκια για να συμβολίσετε τους δεσμούς μεταξύ τους. Φουλερένια (Buckyballs) Σχήμα 3: Εξαγωνική δομή Τα φουλερένια ανακαλύφθηκαν το 1985 από τους Richard E. Smalley, Robert F. Curl και Harold Kroto και τα μόρια πήραν το όνομα τους από τον Αμερικανό αρχιτέκτονα Richard Buckminister Fuller, για το γαιοδετικό θόλο που σχεδίασε. Σχήμα 4: Disney Epcot Center- Γαιοδετικός θόλος σχεδιασμένος από τον R. Buckminister Fuller (4) Τα φουλερένια του Buckminister ή αλλιώς Buckyballs είναι ένα κοίλο σύμπλεγμα 60 ατόμων άνθρακα που έχει σχήμα μπάλας ποδοσφαίρου. Τα Buckyballs είναι το πιο στρογγυλό και πιο συμμετρικό μεγάλο μόριο που γνωρίζουμε. Σχήμα 5: Μόριο φουλερένιου (5) 5

6 Στο C 60, 20 εξάγωνα και 12 πεντάγωνα άνθρακα ενώνονται μεταξύ τους σε συντονισμό. Κάθε πεντάγωνο άνθρακα ενώνεται με πέντε εξάγωνα άνθρακα. Παρακάτω (6) παρουσιάζεται η αναδιπλούμενη δομή τους. Οι ερευνητές έχουν ανακαλύψει μια ολόκληρη οικογένεια τέτοιων μορίων, συμπεριλαμβανομένων των C 28, C 70, C 84 και C 240. Τα ασυνήθιστα αυτά μόρια φαίνεται να έχουν αξιοσημείωτες χημικές και φυσικές ιδιότητες. Σε ένα μόριο Buckyball, κάποια από τα ηλεκτρόνια μετακινούνται μέσα σε ολόκληρο το μόριο, όπως συμβαίνει στην αρωματική ένωση βενζόλιο (C 6 H 6 ). Το Buckyball έχει εξίσου ενδιαφέρουσες φυσικές ιδιότητες. Είναι ανθεκτικό στην κρούση, εξαιρετικά στιβαρό και πολύ σταθερό, ικανό να επιβιώσει σε ακραίες θερμοκρασίες στο διάστημα και υπάρχουν επίσης ενδείξεις υπεραγωγιμότητας. Συστήνεται επίσης ως λιπαντικό. Τα Buckyballs απορροφούν επίσης καλά τα άτομα υδρογόνου. Για το λόγο αυτό, θεωρείται ότι μπορεί να είναι καλύτερο μέσο αποθήκευσης υδρογόνου, και άρα πιθανά να αποτελούν σημαντικό παράγοντα στη δημιουργία νέων μπαταριών για αυτοκίνητα που δε θα ρυπαίνουν το περιβάλλον. Άλλες πιθανές εφαρμογές τους στη βιομηχανία είναι: οπτικές συσκευές, χημικοί αισθητήρες και συσκευές χημικού διαχωρισμού, παραγωγή διαμαντιών και καρβιδίων ως εργαλεία κοπής, μπαταρίες και άλλες ηλεκτροχημικές εφαρμογές, πολυμερή, καταλύτες. Πρόσφατα πειράματα που έκανε ο Ron Turco, περιβαλλοντικός μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο Purdue, δείχνουν ότι τα buckyballs δε βλάπτουν το έδαφος. Επιπλέον, πολλά μόρια φαρμάκων μπορούν να συνδεθούν με τα buckyballs. Όπως και με τα μαγνητικά νανοσωματίδια, η ιατρική μπορεί να διοχετευτεί μόνο εκεί που χρειάζεται, αφήνοντας ανέπαφα τα υγιή κύτταρα. Τα ημισφαιρικά buckyballs και οι νανοσωλήνες άνθρακα χρησιμοποιούνται επίσης στα Μικροσκόπια Ατομικής Δύναμης και σε Μικροσκόπια Σάρωσης Σήραγγας για να ακονίζουν την ακίδα ώστε να δίνει εικόνες υψηλής ευκρίνειας των επιφανειών. Οι Αστρονόμοι που χρησιμοποιούν το τηλεσκόπιο Spitzer Space της NASA ανακάλυψαν μόρια άνθρακα, γνωστά ως "buckyballs," στο διάστημα για πρώτη φορά το 2010 (σχήμα 6). Υπήρχε η πεποίθηση ότι τα Buckyballs αιωρούνταν στο διάστημα αλλά δεν είχαν εντοπιστεί μέχρι σήμερα. 6

7 Σχήμα 6: Το τηλεσκόπιο Spitzer Space της NASA s εντόπισε επιτέλους Buckyballs στο διάστημα (7) ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ -4: Φτιάξτε το δικό σας μοντέλο νανοσωλήνα άνθρακα (CNT) χρησιμοποιώντας ξυλάκια ίσου μήκους και πλαστελίνη. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το σχήμα 6 παρακάτω σαν μοντέλο. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την πλαστελίνη για να συμβολίσετε τα άτομα άνθρακα και τα ξυλαράκια για να συμβολίσετε τους δεσμούς μεταξύ τους. Νανοσωλήνες άνθρακα(cnt) Οι νανοσωλήνες άνθρακα (buckytubes) ανακαλύφθηκαν το 1991 από τον Sumiyo Iijima. Ο νανοσωλήνας άνθρακα (CNT) είναι μια κυλινδρική μορφή του άνθρακα με διάμετρο περίπου 0,4 nm και μήκος από μερικά νανόμετρα μέχρι ένα χιλιοστόμετρο. Η δομή του CNT είναι σαν ένα φύλλο γραφένιου τυλιγμένο πάνω σε έναν κύλινδρο. Αν έχει ένα στρώμα μόνο ονομάζεται νανοσωλήνας άνθρακα μονού τοιχώματος (SWCNT) και έχει πάχος ενός ατόμου. Αν έχει πολλαπλά στρώματα ονομάζεται νανοσωλήνας άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (MWCNT). Οι νανοσωλήνες αυτοί δημιουργούνται σε εργαστήρια, συχνά με τη χρήση μιας μεθόδου που ονομάζεται χημική εναπόθεση ατμού. Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν εξαιρετική αντοχή εφελκυσμού, μια μοναδική εμβέλεια ηλεκτρικών ιδιοτήτων και είναι αποτελεσματικοί θερμικοί αγωγοί. Οι νανοσωλήνες άνθρακα χρησιμοποιούνται σε μια ευρεία γκάμα εφαρμογών όπως η νανοηλεκτρονική, η οπτική και εφαρμογές υλικών. Μια μακροσκοπική συσσώρευση νανοσωλήνων άνθρακα ονομάζεται buckypaper. Το Buckypaper είναι εξαιρετικά ελαφρύ μόλις ένα δέκατο του βάρους που έχει το ατσάλι, όμως έχει τη δυνατότητα να είναι έως και 500 φορές ανθεκτικότερο. Το Buckypaper θεωρείται ως ένας από τους καλύτερους αγωγούς θερμότητας. Οι πιθανές εφαρμογές του είναι: ως υλικό στην αεροδιαστημική, για πυροπροστασία, νέες οθόνες τηλεόρασης, ψήκτρες, για θωράκιση ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών, φίλτρα, θωράκιση, ακόμα και για τεχνητούς μύες. Ακολουθεί ένα σχήμα που δείχνει όλα τα αλλότροπα του άνθρακα: 7

8 Σχήμα 7: Αλλότροπα του άνθρακα (8) a) Διαμάντι b) Γραφίτης c) Lonsdaleite d) Buckyball (C 60 ) e) C 540 f) C 70 g) Άμορφος Άνθρακας h) Νανοσωλήνας Μονού τοιχώματος. 8

9 ΕΛΕΓΞΤΕ ΤΙΣ ΓΝΩΣΕΙΣ ΣΑΣ A. Επιλέξτε (Σ) Σωστό ή (Λ) Λάθος για τις παρακάτω προτάσεις. ( ) 1- Ο γραφίτης είναι αγωγός και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό στα ηλεκτρόδια μιας λυχνίας ηλεκτρισμού. ( ) 2- Τα αλλότροπα έχουν διαφορετικές φυσικές ιδιότητες και τις ίδιες χημικές ιδιότητες. Δίνουν ακριβώς τις ίδιες αντιδράσεις αλλά οι χημικές τους ιδιότητες είναι διαφορετικές. Τα άτομα που σχηματίζουν αλλότροπα έχουν ίδιου τύπου δεσμούς ανάμεσα τους, αλλά με διαφορετικούς τρόπους. ( ) 3- Το διαμάντι είναι ένα κοίλο σύμπλεγμα 60 ατόμων άνθρακα που έχει σχήμα μπάλας ποδοσφαίρου. B. Συμπληρώστε τα κενά με την κατάλληλη έκφραση. 1- Το Buckyball είναι ένα μόριο με τον τύπο C Τα. είναι διαφορετικοί δομικοί μετασχηματισμοί ενός στοιχείου. 3- Το.. είναι το σκληρότερο φυσικό μετάλλευμα. 9

10 ΕΡΓΑΣΙΑ ΓΙΑ ΤΟΥΣ ΜΑΘΗΤΕΣ Βρείτε τα πεδία εφαρμογής των φουλερένιων στους παρακάτω τομείς και έπειτα βρείτε τον τρόπο με τον οποίο οι έρευνες που γίνονται για τα φουλερένια σε αυτούς τους τομείς επηρεάζουν τη ζωή μας, λαμβάνοντας υπόψη και τις θετικές αλλά και τις αρνητικές επιδράσεις. Μόριο C 60 (9) Μεταφερόμενο υλικό Τομέας Πεδίο εφαρμογής Θετικές επιδράσεις Αρνητικές επιδράσεις Ιατρική Ένα τροποποιημένο μόριο φουλερένιο ξεκίνησε να χρησιμοποιείται ως υλικό κατά του ιού HIV σε κλινικές μελέτες για επιπλέον κυτταρικό υλικό υποστήριξης Η ανάπτυξη μιας αποτελεσματικότερη ς θεραπείας του ιού HIV Η υπερβολική δοσολογία των νανοσωματιδίων θα επιφέρει συσσώρευση στο σώμα. Μελλοντικά σχέδια Η στόχευση του κάθε νοσηρού κυττάρου με τον κομιστή του φαρμάκου σε δομή κλωβού Βιομηχανία Τεχνολογία 10

11 ΑΝΑΦΟΡΕΣ: (1)-(2)-(8) (3) (4) (5) (6) (7) (Image Credit: NASA/JPL-Caltech.) (9) quantum-rattle -in-buckyball-cage/