Fullereni

fullereni

Molecole policicliche costituite solo da atomi di carbonio (formula generale C_{[) di forma poliedrica cava convessa, dove ciascun atomo ne coordina altri tre con legami covalenti a carattere prevalentemente grafitico (ibridizzazione sp²). Il numero di legami è 1,5 volte il numero n degli atomi, dove n è sempre un numero pari. In senso lato i fullereni sono costituiti da un numero arbitrario a di anelli poligonali con un numero qualsivoglia di lati (legami), essendo n ed a legati dalla relazione di Eulero n=2a−4. In senso stretto i fullereni sono costituiti esclusivamente da anelli esagonali e pentagonali, i primi in numero h arbitrario (diverso da uno), i secondi nel numero di 12 fissato dalla relazione di Eulero. Il numero degli atomi cresce con quello degli esagoni secondo la formula n=20+2h, da cui risulta che il più piccolo fullerene è C₂₀ (h=0). Il numero degli isomeri cresce rapidamente con n. Tra gli isomeri sono generalmente più stabili quelli di maggiore simmetria e col minimo numero di pentagoni adiacenti. Di particolare stabilità è l’isomero di C₆₀ avente i 60 atomi ai vertici di un icosaedro troncato; è questo il più piccolo fullerene senza pentagoni adiacenti, ed è l’unico dei possibili 1812 isomeri di C₆₀ non isomorfi a possedere tale proprietà. A questa molecola è stato dato originariamente il nome di buckminsterfullerene, in onore dell’architetto Richard Buckminster-Fuller, ideatore delle cupole geodetiche. Comunque, il termine fullerene privo di ulteriori specificazioni si riferisce di norma a tale composto. Previsto teoricamente da Eiji Osawa nel 1970, il C₆₀ è stato isolato e descritto sperimentalmente nel 1985 da Robert F. Curl, Sir Harold W. Kroto e Richard E. Smalley (premi Nobel per la ­chimica 1996). Donald R. Huffman e Wolfgang Krätschmer hanno in seguito sviluppato metodi di produzione di fullereni in quantità macroscopiche. I fullereni esistono in natura nella fuliggine e in certi minerali (shungiti). Dal punto di vista chimico sono accettori di elettroni e sono facilmente idrogenati. I fullereni più piccoli sono stabilizzati dall’idrogenazione (per es., C₂₀H₂₀, C₂₈H₄, ecc.). Formano composti endoedrici, con un atomo o molecola all’interno della gabbia; di sostituzione, con un atomo diverso al posto di un carbonio; o esoedrici, con specie chimiche legate all’esterno. Polimerizzano per cicloaddizione, entrano in una vasta classe di composti e processi organici e trovano applicazione in numerose nanotecnologie. I fullereni più stabili formano solidi di van der Waals. In particolare il C₆₀ in condizioni normali cristallizza in forma cubica a facce centrate, e come anione forma solidi ionici con vari metalli (fulleruri o, impropriamente, fulleriti), alcuni dei quali sono semiconduttori a temperatura critica relativamente alta (per es., Rb₃C₆₀ con T₎=30 K). Il C₆₀ è capostipite di una vasta famiglia di strutture di carbonio a legami grafitici (grafeni), scoperte negli anni successivi. Fra queste stanno acquistando sempre maggiore importanza tecnologica i nanotubi e le schiume di carbonio (schwarziti amorfe).

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