Fullerene Die symmetrischsten Molek

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Fullerene Die symmetrischsten Moleküle der Natur
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Fullerene Die symmetrischsten Moleküle der Natur
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Inhalt

• 1. Einleitung Fullerene, Kugeln oder
  Käfige aus Kohlenstoff
• 2. Geometrischer Exkurs
• 3. Die Besonderheiten von Kohlenstoff
• 4. Historische Anmerkungen
• 5. Herstellung von Fullerenen
• 6. Endohedrale Fullerene Eimer (mit
  Inhalt)
• 7. Berechnungen von Fullerenen
• 8. Mögliche Anwendungen
• 9. Schluß

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Bucky-Ball ( C60) Die ideale Fußballgestalt
des Bucky-Balls

• Fußball abgestumpfter Ikosaeder
• Ikosaeder 20-Flächner
• Fußball 12 Fünfecke 20 Sechsecke
• Alle 12 Fünfecke sind durch Sechsecke getrennt
• Symmetriegruppe des Fußballs 120 Elemente
• C60 größte Stabilität aller Fullerene

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Warum Bucky-Balls oder Buckmister-Fullerene?

• Richard Buckminster Bucky Fuller
• 1895 - 1983
• Amerikanischer Architekt
• Entwurf geodätischer Kuppeln
• Mitbegründer des Wortes Synergie

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Besonderheiten des Kohlenstoffs

• 4 bindende Elektronen
• geringe Atomgröße (2 nm)
• wenig Störungen durch innere Elektronen
• gt größte Verbindungsvielfalt aller Elemente

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Kohlenstoffverbindungen

• Kettenmoleküle
• Ringmoleküle
• Graphit
• Diamant
• Fullerene (C78)

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Entdeckung der Fullerene I 1970 Corannulen

• 1970 Osawa extrapoliert gekrümmte Moleküle
• C20H10 ist ein Drittel von C60
• Veröffentlichung nur in japanischen Zeitschriften

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Entdeckung der Fullerene IIa 1985

• 1985 Kroto, Curl und Smalley ...
• ... Untersuchung des Staubs kohlenstoffreicher
  Sterne
• Kohlenstoffverbindungen bei hohen Temperaturen
• Simulation durch Graphitverdampfung per Laser

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Entdeckung der Fullerene IIb

• Benutzung eines Flugzeitspektrographen
• Zunehmendes Selektion des C60 - Signals durch
  Optimierung des Versuchsaufbaus
• Nobelpreis 1996 für Kroto, Curl und Smalley

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Gewinnung von Fullerenen I1990

• Ausbeute an C60 bei Kroto et. al. ist äußerst
  gering
• 1990 Krätschmer und Huffman arbeiten mit der
  Lichtbogenmethode

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Gewinnung von Fullerenen IInach 1990

• Ausbeute von bis zu 15 Fullerenen im Ruß
• Extraktion der Fullerene durch Hochleistungsflüssi
  gkeitschromatographie mit Toluol
• 100 mg C60 kosten im Jahr 2000 nur noch 50,-

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Fullerene als Kristalle

• Fullerene können kristallisiert werden - nicht
  nur C60
• C60 Schmelzpunkt über 360 Celsius
• C60 Dichte bei 20 Celsius 1,65 g / cm3
• Dotieren interessante physikalische Eigenschaften

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Dotierte und modifizierte Fullerene

• Exohedrale Fullerene zusätzliche Atome im
  Fullerenkristall gt evtl. Supraleitung
  bis 33 Kelvin
• Heterohedrale Fullerene C-Atome sind durch
  andere Atome ersetzt gt hochinteressante
  Chemie
• Endohedrale Fullerene ein bis mehrere
  eingeschlossene Atome 1., 2., 3. Gruppe,
  Eisen und Lanthanide

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Endohedrale Fullerene I

• Herstellung Verdampfen Graphit La2O3
• Analyse mit Chromatographie und
  Massenspektrometer
• Entstand wirklich das Endohedral Fulleren La_at_C82
  ?

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Endohedrale Fullerene IIEntstand wirklich das
Endohedral-Fulleren La_at_C82 ?

• Fragmentierungsversuche und Röntgenabsorptionsspek
  trogramme in Gasphase ambivalent
• Positiver Befund 1 in Gasphase Eingeschlossene
  Lanthan-Atome reagierten nicht mit H2, O2, NO,
  NH3
• Positiver Befund 2 bei adsorbierten Fullerenen
  Rastertunnelbild große Kugelformen, keine
  kleinen Metallionen sichtbar
• Positiver Befund 3 Messung in fester
  PhaseHochauflösende Transmissionselektronenmikro
  skopie (TEM) von Sc2_at_C84

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Endohedrale Fullerene IIIVorentscheidung
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

• a) TEM von Sc2_at_C84
• b) wie a) aber Fourier-gefiltert bzw. verstärkt
• c) Simuliertes Bild von Sc2_at_C84
• d) Simuliertes Bild von reinem C84

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Endohedrale Fullerene IVEntscheidung
Röntgenstrukturanalyse mit Synchrotonstrahlung

• Gewähltes Fulleren Y_at_C82
• Oben Errechnete Dichtebilder
• Unten Röntgenstrukturbild

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Endohedrale Fullerene VMEM (Maximum Entropy
Method Dichtebild) von Y_at_C82
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Endohedrale Fullerene VI

• Y_at_C82 keine Rotationen
• C82 Rotationen sind frei
• Erklärung Y_at_C82 ist ein Dipol
• Y_at_C82 Ladungsaustausche zwischen Kohlenstoff und
  Metall
• Y_at_C82 im Festkörper Anordung in Reihe wegen der
  Dipole
• Lanthan liegt nach Electron Spin Resonanz als
  La3 in La3_at_C823- vor
• La_at_C82 Metallion bewegt sich bei Raumtemperatur
  (rechts)
• Sc_at_C82, Y_at_C82 keine Bewegung leichte Elemente
  sind stärker gebunden

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Endohedrale Fullerene VIIWeitere Erkenntnisse

• Metallofullerene auch auf Basis von C72, C74
• La_at_C60, La_at_C70 instabilgt Verbindungen á la
  Me_at_C60, Me_at_C60 bleiben weitgehend unerforscht
• Aber Ca2_at_C602- wurde schließlich
  spektroskopisch nachgewiesen und in Simulation
  berechnet
• Ergebnis auch bei Ca2_at_C602- u. Sc2_at_Sc602-
  sitzt das Ion 0,7 nm vom Zentrum entfernt

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Endohedrale Fullerene VIIIPolymetallfullerene

• Existenz von Polymetallofullerenen wie
  (LaY)_at_C80, Sc2_at_C80, Sc2_at_C84, Sc3_at_C80 ...
• La2_at_C80 (links) 13C NMR und 139La NMR
  komplette Rotationsbewegung der Elektronen mit
  steigender Temperatur
• Ursache kreisförmig-konzentrisches Potential
  innerhalb C806-

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Berechnung von Fullerenen IEulerscher
Polyedersatz

• Euler E F - K 2
• E Anzahl der Ecken
• F Anzahl der Flächen
• K Anzahl der Kanten
• P Anzahl der Pentagone
• H Anzahl der Hexagone
• Schlußfolgerungen
• Jedes Polyeder aus 5- und 6-Ecken enthält genau
  12 Fünfecke
• Zahl der 6-Ecke ist frei (aber gerade)

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Berechnung von Fullerenen IIIPR-Ansatz
Isolated Pentagon Rule

• IPR Stabilität, wenn alle Pentagone durch
  (beliebig viele) Hexagone von allen anderen
  Pentagonen isoliert sind.
• Probleme bei der Simulation von Fullerenen
• - Anzahl der Rechenoperationen in Abh. von
  C-Atomen astronomisch hoch.
• - Kombination (semi-)empirischer Methoden dennoch
  sehr leistungsfähig.

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Mögliche Anwendungen(advanced materials!)

• Verbesserung von Katalysatoren (Steigerung
  Effektivität bei Palladium, Ruthenium)
• Laserschutzschichten
• Elektrooptische Anwendungen neue fotochemische
  Eigenschaften, künstliche Fotosynthese
• Funktionspolymere z. B. eindimensionale Metalle
• Evtl. bessere Supraleiter (höhere
  Sprungtemperaturen)
• Billigere Herstellung künstlicher Diamanten
  Herstellung bei Raumtemperatur bessere Ausbeute
• Erhöhung der Leistungsfähigkeit von
  Ionentriebwerken durch um 5-fach vergrößerte
  Masse gegenüber dem bislang verwendeten Xenon
• Biologie/Medizin Ausnutzen der besonderen
  Bindungseigenschaften, um pharmazeutisch wirksame
  funktionelle Gruppen in den Körper, an den
  Erreger u. s. w. zu transportieren

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Schluss

• 1. Einleitung Fullerene, Kugeln oder
  Käfige aus Kohlenstoff
• 2. Geometrischer Exkurs
• 3. Die Besonderheiten von Kohlenstoff
• 4. Historische Anmerkungen
• 5. Herstellung von Fullerenen
• 6. Endohedrale Fullerene Eimer (mit
  Inhalt)
• 7. Berechnungen von Fullerenen
• 8. Mögliche Anwendungen
• 9. Schluß

• Was fehlt?
• NanoröhrchenAnmerkung
• Chemie der Fullerene ist ebensfalls ein
  hochinteressantes Thema

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Literatur

• Fullerenes chemistry, physics, and
  technology.Edited by Karl M. Kadish ..., - New
  York, Weinheim Wiley Interscience, 2000.
  Specially Chapter 8, p. 357 ff., chapter 9, p.
  395 ff. Signature 5C 408.
• Fullerenes and related materials selected papers
  presented at Symposium C of the IUMRS-ICAM 99
  Beijing, China 13 - 18 June 1999. New York
  Pergamon, 2000. Signature magazines G1, 2ZA
  1155-61, 2000, II
• Fullerene Materials in Fullerenes and related
  structures edited by A. Hirsch. Berlin,
  Heidelberg, Springer 1999. chemistry, physics,
  and technology. Specially P. 173-183 by Maurizio
  Prato.