Nove formy uhliku

Vladimir Dvorak

Uhlik - tento lehky prvek, sesty v poradi Mendelejevovy tabulky, ktery je zakladem organicke chemie a biologickych procesu, kteremu vdecime za existenci zivota na nasi planete, je jiz dlouha desetileti predmetem zakladniho i aplikovaneho vyzkumu. Dalo by se proto ocekavat, ze vsechny formy, ve kterych se vyskytuje, jsou jiz znamy. V prirode nachazime uhlik zejmena v karbonatovych usazeninach, jilech, nafte a uhli, a to v amorfni forme. Dobre zname dve krystalicke formy uhliku: diamant a grafit - tuhu. V diamantu je kazdy atom uhliku prostorove obklopen ctyrmi nejblizsimi sousedy, se kterymi je spojen pevnymi vazbami, coz mu dava jeho neobycejnou tvrdost. V grafitu vytvareji atomy rovinnou hexagonalni strukturu v niz ma kazdy jen tri nejblizsi sousedy. Roviny jsou mezi sebou vazany pomerne slabe procez lze grafit snadno roztirat.

Nedavno byla objevena nova forma usporadani klastru atomu uhliku v podobe molekul s velkym poctem atomu. Tyto velke molekuly se rovnez mohou stat zakladnimi stavebnimi kameny krystalove mrizky. Jde o molekuly C60, C70, C84 a dalsi, s sedesati, sedmdesati atd. atomy. Maji kulovity tvar a jsou tedy do sebe dokonale uzavreny. Tak napr. molekula C60, nejkulatejsi z nich, je presnou kopii kopaciho mice sesiteho z dvanacti petiuhelniku a dvaceti sestiuhelniku. Ve stycnych bodech techto mnohouhelniku je umisteno celkem 60 atomu uhliku. Prumer teto temer dokonale kulicky je ovsem jen asi jeden nanometr. .

V 70-tych letech byla sice moznost existence teto molekuly predpovezena teoretickymi chemiky, ale tyto navrhy zustaly bez povsimnuti. Myslenka o existenci molekuly C60 se objevila opet ve snaze objasnit nektere zahadne cary v absorpcnich a emisnich spektrech prichazejicich z mezihvezdneho prachu, ktere nelze vysvetlit pritomnosti jednoduchych sloucenin (napr. CO, CO2, H2O). I kdyz se tato interpretace pozdeji ukazala jako nespravna, vedla Anglicana H. W. Krota a Americana R. E. Smalleyho k intenzivnimu studiu klastru uhlikovych atomu. Nakonec se skutecne podarilo existenci molekuly C60 prokazat a nalezt ucinnou metodu jejich pripravy; pouziva se elektrickeho oblouku v heliove atmosfere mezi grafitovymi elektrodami. Na pocest americkeho architekta, inzenyra a filosofa R. Buckminstera Fullera (1895-1983), ktery projektoval budovy podobnych tvaru (napr. americky pavilon na EXPO 67 v Montrealu) byla molekula C60 pojmenovana "buckminsterfulleren". Pozdeji se podarilo pripravit dalsi fullereny, vzdy se sudym poctem atomu: C70, ktery ma tvar rugbyoveho mice, C76, C84 a dalsi. Pred vice nez 200 lety matematik Euler dokazal teorem, ze z 12- ti petiuhelniku a libovolneho poctu sestiuhelniku lze vytvorit dokonale uzavreny mnohosten. Asi netusil, ze se naucime molekuly techto tvaru vytvaret a ze se vyskytuji, byt ve velmi malych mnozstvich i v prirode a to v uhelnych vrstvach a v sazich. .

Molekula C60 se patrne stane zakladem zcela nove "trojrozmerne" chemie a sehraje stejne dulezitou roli jakou hraje dvourozmerne jadro benzenu v organicke chemii. Narusenim fullerenovych vazeb se podarilo pripravit ruzne derivaty, napr. C60H60, C60F60 a celou radu dalsich. Dokonce lze dovnitr molekuly C60 umistit temer libovolne atomy, vcetne helia a vytvorit tak vlastne prvni znamou slouceninu helia. Shluky molekul C60 vytvareji krystaly, tzv. fullerity, ktere maji krychlovou symetrii. Ve svych krystalovych polohach se molekuly prakticky volne otaceji kolem nahodne orientovanych os obrovskou rychlosti: stovky milionu otacek za vterinu. Pri nizkych teplotach, asi sto stupnu pod nulou, se chaoticke rotace zmeni na komihani kolem os orientovanych podel telesnych uhlopricek krychle. Do volnych izolovanych mist struktury fulleritu lze vkladat cizi atomy (napr. alkalicke kovy) a kvalitativne tak menit jeho vlastnosti. .

Tak napr. z K3C60 se stane vodic, ktery pri velmi nizkych teplotach (asi do dvaceti stupnu nad absolutni nulou) existuje dokonce v supravodivem stavu, vede elektricky proud beze ztrat. Zacinaji se jiz rysovat prvni aplikace fullerenu a fulleritu. Mohly by slouzit ke skladovani ekologickeho paliva - vodiku, ktery snadno difunduje do prazdnych poloh krystalove mrizky mezi molekuly C60. Povrch fullerenu ma podobne katalyticke ucinky jako platina. Vrstvy C60 pod tlakem prechazeji na diamantove vrstvy. Vrstvy C70 se pouzivaji jako podlozky pro pripravu diamantovych vrstev. Dute struktury molekul fullerenu bude mozna vyuzito v lekarstvi k transportu molekul leciv v lidskem tele, jejichz prime podavani by bylo nebezpecne..

Pri priprave fullerenu byly objeveny tenke uhlikove jehlicky o prumeru nekolika nanometru a delky nekolika mikrometru. V elektronovem mikroskopu se ukazalo, ze se jehlicky skladaji z do sebe vlozenych nanotrubicek ruzneho prumeru. Jednu takovou nanotrubicku si muzeme predstavit v podstate jako svinutou hexagonalni rovinu grafitu. Trubicka je zakoncena jakousi cepickou, takze opet jde o do sebe uzavrenou strukturu. Do nanotrubicek je mozne implantovat atomy kovu (napr. chrom, nikl) a vyrobit tak nanodratky s velkou elektrickou vodivosti. Nelze pochybovat, ze nanotrubicky maji velmi slibnou perspektivu jak v zakladnim, tak i aplikovanem vyzkumu. Bude mozne zkoumat ruzne fyzikalni jevy na atomarni urovni probihajici v malem prostoru vymezenem nanotrubickami, katalyticke event. supravodive vlastnosti atd.; nanotrubicky se zrejme stanou zakladnim kamenem novych nanostrukturnich materialu s vyznamnymi elektrickymi a mechanickymi vlastnostmi sitymi na miru. .

(z prednasky na zasedani Ucene spolecnosti, 20. 2. 1996).

Jan Culík | Department | Home