Od ich odkrycia w 1985 roku, fulereny znajdują w nauce szerokie zastosowanie. Ich rozmiar, hydrofobowość, trójwymiarowość i konfiguracje elektronowe czynią je atrakcyjnym obiektem zainteresowań dla nauki, inżynierii czy dyscyplin medycznych. Dzięki swoim unikalnym właściwościom fizycznym, biologicznym i chemicznym, fulereny wniosły swój wkład w działalność przemysłową. Wiele z ich zastosowań zostało skomercjowalizowanych.

Struktura
Fulereny to cząsteczki węgla C60, C70, C76 i C84 w kształcie sferycznej klatki o różnych rozmiarach i z cząsteczkami o różnej wadze. Dobrym przykładem jest fuleren C60, znany również jako fuleren Buckminstera lub Buckyball. Fulereny Buckminstera są twardymi kryształami nie odbijającymi światła i przepuszczającymi światło czerwone, o żółtej barwie w formie warstw i średnicy około 0,7 nm (nanometra). W strukturze fulerenu wszystkie cząsteczki węgla mają te same właściwości przyłączające. Długość wiązania podwójnego wynosi 0,14 nm, a wiązania pojedynczego 0,146 nm.

Właściwości
Wysoka aktywność chemiczna fulerenów i szeroki wachlarz reakcji, w których mogą uczestniczyć pozwalają dostosować ich fizyczne i chemiczne właściwości poprzez dodanie różnego rodzaju pierwiastków i cząsteczek w ich strukturę (C59N), w środek klatki (azot w centrum C60) lub poprzez pokrycie powierzchni fulerenu metalami przejściowymi.

Fulereny i sadza fulerenowa są reaktywne chemicznie i mogą być dodawane do struktur polimerów, aby tworzyć nowe kopolimery o określonych właściwościach fizycznych i mechanicznych. Fulereny mogą również wchodzić w skład kompozytów.

Fizyczne i elektrochemiczne właściwości rodziny fulerenów, szczególnie C60, mogą być wykorzystywane w wielu dziedzinach medycyny. Fuleren mieści się wewnątrz hydrofobicznej przestrzeni proteaz wirusa HIV, utrudniając dostęp substratów do miejsca aktywnego enzymu. Ponadto, w kontakcie ze światłem, fuleren może produkować duże ilości kwantów tlenu singletowego. To zjawisko, razem z bezpośrednim transferem elektronu ze wzbudzonego stanu fulerenu i aminokwasami DNA, może być wykorzystane do przecinania DNA.

Synteza
Fulereny, nowa forma węgla, zostały odkryte w 1985 roku podczas odparowywania grafitu w gazie szlachetnym pod niskim ciśnieniem. Fulereny są produkowane przy użyciu łuku elektrycznego lub chemicznego osadzania z fazy gazowej.

Na początku fulereny produkowano metodą łuku węglowego rozwiniętą na Uniwersytecie Arizony. Jednakże, tą metodą można wytwarzać jedynie małe ilości fulerenów z powodu problemów związanych z wysokim zużyciem substancji, brakiem selekcyjności tworzenia struktur węglowych, związanymi z tym problemami z oczyszczaniem i niemożnością dokonania pomiarów dotyczących całego procesu. W metodzie łuku elektrycznego fulereny nie mogą być wytwarzane, jeżeli atomy wodoru są obecne w gazie biorącym udział w procesie. Niemniej jednak, metody syntetyczne pozwalają na uzyskanie pojedynczego izomeru danego fulerenu pozbawionego wszelkich zanieczyszczeń innymi izomerami lub fulerenami o innych rozmiarach. Ten proces oparty jest na dwuwymiarowych cząsteczkach wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych posiadających strukturę węgla niezbędną do utworzenia struktury docelowego fulerenu.

Zastosowania
Fulereny posiadają wiele właściwości odmiennych od właściwości grafitu czy diamentu. Jest również wiele praktycznych zastosowań fulerenów w szerokim wachlarzu dziedzin i praktycznych patentów. Używa się ich m.in. w urządzeniach informatycznych, diagnostyce, lekach, w przemyśle energetycznym i środowiskowym np. w kremach do twarzy, nawilżaczach, smarach, urządzeniach pomiarowych, obwodach i urządzeniach elektrycznych, czujnikach, nadprzewodnikach, katalizatorach, optyce, kompozytach polimerowych, paliwach wysokoenergetycznych, w systemach podawania leków przeciwnowotworowych przy użyciu fotochemioterapii, w lekach na HIV, w procesie obrazowania metodą rezonansu magnetycznego i w kosmetykach zwalniających procesy starzenia się skóry.

Inny interesujący rodzaj węgla fulerenowego czy krzywowarstwowego, w przeciwieństwie do węgla grafitowego czy płaskowarstwowego, które również można znaleźć w systemach produkujących fulereny, stanowią nanostruktury z cylindrycznymi, eliptycznymi lub innego rodzaju kształtami, składające się z okręgów podobnych do tych w cebuli czy ptasich gniazd i cząsteczek sadzy ze znaczną zawartością węgla krzywowarstwowego.

Zastosowanie w medycynie
W skład medycznych zastosowań fulerenów wchodzą procesy antywirusowe, procesy związane z antyoksydantami i znaczące czynności biologiczne wywoływane światłem jako potencjalna podstawa fotochemioterapii i zastosowań diagnostycznych. Ponadto, fulereny są używane jako przekaźniki w systemach podawania leków i genów. Są również stosowane do badania profili białek surowicy krwi jako materiał w procesie MELDI (ang. Material Enhanced Laser Desorption/Ionization – laserowa desorpcja/jonizacja wspomagana materiałem) w celu odkrywania biomarkerów.

Antyoksydanty
Fulereny są bardzo dobrymi antyoksydantami, w dużym stopniu reagując z rodnikami. Ze sporą dozą prawdopodobieństwa można stwierdzić, iż fulereny będą stosowane w medycynie do zapobiegania zniszczeń i śmierci komórek w wyniku procesu utleniania, jak również będą używane w mniej medycznych dziedzinach, gdzie celem jest uniknięcie takich procesów jak psucie się żywności, rozkład plastyku czy korozja metali. Główne koncerny farmaceutyczne badają użycie fulerenów w kontroli urazów neurologicznych w chorobie Alzheimera czy stwardnieniu zanikowym bocznym, które są efektem zniszczeń powodowanych przez rodniki. Ponadto trwają prace nad lekami na miażdżycę, medykamentami przeciwwirusowymi i nad preparatami dla celów fotochemioterapii.

Pochodne fulerenów mają spory potencjał w rozwoju innowacyjnych leków jako inhibitory asparaginowych proteaz wirusa HIV. Fulereny znane są jako „gąbki rodnikowe”, gdyż jedna cząsteczka fulerenu potrafi wchłonąć i zneutralizować ponad 20 wolnych rodników. Fulereny okazały się 100 razy skuteczniejsze niż obecnie wiodące antyoksydanty takie jak np. witamina E.

Właściwości przeciwutleniające są spowodowane faktem, iż fulereny posiadają dużą liczbę sprzężonych wiązań podwójnych i nisko leżący najniższy niezapełniony orbital molekularny (ang. LUMO – Lowest Unoccupied Molecular Orbital), który z łatwością może przyjąć elektron, co czyni fulereny bardzo podatnymi na ataki rodników. Innymi słowy, fulereny mogą reagować z wieloma ponadtlenkami nie zużywając się, dlatego są najskuteczniejszą „miotłą” lub „gąbką” dla rodników.

Inne, rozpuszczalne w wodzie fulereny, mianowicie fullerenole i pochodne kwasu malonowego C60 przyciągają sporą uwagę w dziedzinach związanych z układem nerwowym.

Katalizator
Jako katalizatory, fulereny wykazały zdolność do przyjmowania i przekazywania atomów wodoru, uwodorniania, hydrodealkilacji, ponadto bardzo skutecznie umożliwiają przemianę metanu w wyższe węglowodory i hamują reakcje związane z koksem.

Fulereny stosowane są w uzdatnianiu wody, w ochronie przed zagrożeniami biologicznymi, w katalizie tlenu singletowego związków organicznych, w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów, w pojazdach, aby zwiększyć ich wytrzymałość, zmniejszyć tempo nagrzewania się i aby ulepszyć wydajność paliwa z użyciem związków chemicznych gumy/sadzy fulerenowej.

Elektronika polimerowa
Wydajność tranzystorów wysokopolowych OFETS i detektorów światła została poprawiona dzięki półprzewodnikowym właściwościom z domieszkowaniem donorowym fulerenów opartych na C60, C70 razem z C84. Fulerenowy tranzystor wysokopolowy OFETS wyprodukowany z C84 wykazał większą mobilność i stabilność niż te z C60 czy C70. W momencie, kiedy wiele jest jeszcze do zrobienia, świat elektroniki polimerowej otwiera się zarówno dla fulerenów, jak i dla nanorurek jednowarstwowych.

źródło : http://nanoall.blogspot.com/