Fulerenos: la chimie d'aujourd'hui, le pari de demain

2000/08/01 Imaz Oiartzabal, Alaitz | Matxain Beraza, Jon Mattin - EHUko Kimika Fakultateko eta DIPCko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Si l'on analyse l'abondance des éléments superficiels, on constate que le carbone n'est pas l'un des éléments les plus abondants (la moyenne est de 320 g de carbone par tonne de surface). Combinée avec d'autres éléments dans la lithosphère, elle se trouve dans les calcaires et le pétrole. Cependant, dans l'atmosphère et dans les eaux marines, le CO est en forme de 2. En général, le carbone est l'élément de base des molécules organiques. Le carbone est la base de la plupart des composants nécessaires à la vie. Beaucoup des combustibles que nous utilisons dans notre vie quotidienne (essence et butane extraite du pétrole) et/ou plastiques, en grande partie composés de carbone. En résumé, on peut dire que dans la nature le carbone, sans s'associer ni se mêler à d'autres éléments, se trouve sous trois formes principales : le diamant, le graphite et le charbon actif. Le diamant et le graphite ont une structure cristalline et le charbon une structure amorphe. Le carbone est donc l'élément qui génère le plus de composés.

Chaque atome de carbone a quatre électrons dans la dernière couche, à travers lesquels il peut être relié à un maximum de quatre atomes. Le graphite et le diamant sont formés par l'union ordonnée des atomes de carbone. Dans le diamant, chaque atome se lie à quatre autres carbone pour former des structures de tétraèdres. Chacun de ces tétraèdres rejoint un autre tétraèdre par les sommets, formant un réseau tridimensionnel symétrique. Dans le cas du graphite, cependant, chaque atome de carbone se lie à trois autres carbone formant des feuilles d'hexagone qui s'accumulent pour former des structures tridimensionnelles. Les liaisons entre ces plaques sont plus faibles que les liaisons en diamant. C'est pourquoi le graphite est beaucoup plus mou que le diamant.

Le diamant et le graphite ont différentes structures et propriétés, et leur utilisation est différente. L'importance du diamant est connue dans les bijoux, mais en raison de la dureté intrinsèque du diamant, les grandes impuretés sont utilisées dans l'industrie. Le graphite est utilisé dans la fabrication d'électrodes comme le lubrifiant solide, les mines de crayons, etc.

Nouvelles structures carbone

Comme déjà indiqué, la science a beaucoup progressé et, dans de nombreux cas, lorsque des découvertes imprévues ont eu lieu, les lignes de recherche ont été détournées, le travail précédent a été écarté et de nouvelles voies ont été lancées. C'est ce qui leur est arrivé en 1985 Robert F des USA. Curl et Richard E. Www.euskaltel.com et Harold W Britannique Krotori. Cette équipe de travail a découvert et identifié une nouvelle structure de carbone: le fulerène. Ces composés ont déjà été vus par d'autres groupes, mais n'ont pas été identifiés comme des "structures de carbone inconnues". L'astrochimique Kroto a trouvé des fulerènes tout en enquêtant sur la composition d'étoiles riches en carbone. Afin d'observer les structures en carbone de l'atmosphère extérieure des gigantesques étoiles rouges, le graphite a été évaporé par des rayons laser; après avoir analysé le plasma de carbone ainsi obtenu, on constate maintes et maintes fois que la tendance à la collecte du carbone par sexennat était très élevée (voire 70 en volume). Cette découverte lui a valu le Prix Nobel de chimie en 1996.

Structure des fulerins

Il n'a pas été facile d'imaginer la structure de cette substance que vous venez de trouver. Après plusieurs casseroles de tête, R. Les scientifiques cités précédemment ont découvert que la structure des coupoles géodésiques de l'architecte et philosophe américain Buckminster Fuller (1895-1983) correspondait à celles-ci. C'est pourquoi, bien qu'elles aient été initialement appelées "Buckminsterfullereno", le terme "fulereno" a été popularisé, mais on les a aussi appelés "buckyballs" et "buckys". Cette structure ressemble au ballon de football, c'est-à-dire c'est une structure circulaire et creuse de 60 carbone composée de 12 pentagones et 20 hexagones, C 60. Autour de chacun des pentagones, il y a cinq hexagones qui permettent de donner une rupture à la structure. Cette structure est obtenue en associant chaque atome de carbone à trois autres carbone, comme dans le cas du graphite. Cette structure, de forme presque sphérique, a un diamètre moyen de 7A (7x10 -10 m) et une masse moléculaire de 720,64 (12,01 de l'atome de carbone). Le fulerène est la molécule la plus sphérique et symétrique connue. 94% de sphéricité.

Comme nous l’avons déjà dit, on a d’abord trouvé des structures C 60 et C 70 qui, bien que les plus nombreuses, ont été peu à peu découvertes: C 20 (le plus petit fulerène possible, dodécaèdre régulier, formé par 12 pentagones), C 32 , C 50 , C 76 , C 78 , C 84 , C 240 , C 540, etc.

On a également trouvé des structures intermédiaires entre les fulerènes et le graphite : nanotubes et fuleroïdes pleins. Les nanotubes sont des tubes cylindriques de très petite taille qui se forment par le pliage des lames de graphite et dont les extrémités sont fermées par des structures de type fulerène. Au contraire, les fuleroïdes pleins sont formés par accumulation de couches concentriques de graphie-fulerène de taille différente (dans le style de l'oignon). Cependant, ils ne savent toujours pas si des quantités macroscopiques de ces fuleroïdes pleins peuvent être produites.

Comment faites-vous ?

Synthèse de C 60 W. Krätschmer et D. R. Huffman est dû aux physiciens (1990). Au début, ils ont obtenu de très petites quantités, qui était le plus gros problème. Bien que les propriétés des fulerenos soient très importantes, on obtenait des quantités aussi petites (et donc si chères) qu'il était difficile d'avancer dans la recherche. Par conséquent, le plus grand défi initial était de synthétiser des quantités macroscopiques de fulerène. Actuellement, les laboratoires spécialisés génèrent leurs propres fulérènes. Bien que la procédure découverte par ces scientifiques a légèrement changé depuis, il est basé sur l'arc voltaïque entre les électrodes de graphite établies dans l'atmosphère contrôlée de l'hélium. De cette façon, une suie est générée avec de petites quantités de fulerène, la proportion C 60 /C 70 de suie dépend en plus de l'intensité de courant utilisée dans la procédure. Cette procédure est très simple par rapport à l'outil complexe utilisé initialement, mais d'autres sources de fulerène ont été étudiées et étudiées.

D'autre part, de nombreuses substances sont actuellement analysées à travers des logiciels. Des calculs très complexes sont effectués dans ces programmes et de bons résultats sont obtenus. À partir de l'analyse théorique des unions entre atomes, on obtient des images virtuelles de substances chimiques et on calcule leur géométrie et leur énergie. Étant donné la difficulté d'obtenir des fulerènes et des dérivés en quantités macroscopiques, bon marché et pures, la réalisation de ces études de simulation est d'une grande utilité, car la réalisation d'études de stabilité de ces molécules permet de prédire leurs propriétés.

Les fulerenos pourquoi ?

Avant d'analyser l'utilisation de tout matériau, il est nécessaire d'étudier et de comprendre ses propriétés, car selon ses propriétés, le matériel aura des usages différents. En fait, si l'on regarde les propriétés des fulerenos, on voit qu'elles sont très intéressantes: elles ont des propriétés conductrices, photochimiques, structurelles, etc. Grâce à ces multiples propriétés, il a été initialement spéculé la possibilité de plusieurs utilisations pour les fulerènes.

En ce qui concerne les propriétés structurelles, la petite structure sphérique du fulerène leur permet de stocker à l'intérieur des atomes et de petites molécules: métaux lourds, médicaments, etc. Cette dernière peut avoir une grande influence sur la médecine, car les médicaments ainsi réunis pourraient atteindre l'organe malade sans le détruire sur le chemin ou le nuire à d'autres organes. D'autre part, le fulerène a également été utilisé dans les microscopes les plus précis basés sur l'effet tunnel des électrons. Ces microscopes ont une petite pointe dans laquelle en plaçant une molécule de fulerène, leur petite taille a permis aux atomes de graphite d'être "vu" individuellement. Les nanotubes mentionnés ci-dessus, combinés avec des métaux, conduisent courant électrique. Sa structure nanométrique permet la construction de très petits fils, ce qui permet, entre autres, de réduire la taille des puces des ordinateurs. En outre, il a été spéculé qu'ils ont une plus grande résistance mécanique (c'est à dire, ils sont plus résistants) que les fibres de carbone avec structure en graphite.

Les fulerènes peuvent se heurter à une vitesse de 27.000 km/h sans se casser contre une plaque en acier, ce qui indique la dureté de ces molécules. En outre, ils sont capables de supporter des pressions très élevées, 220.000 fois supérieures à celles que subissent les êtres humains à cause de l'atmosphère. Par conséquent, sa capacité d'emballage est très élevée, plus du double que celle du diamant. Cette dureté et cette capacité d'emballage ont également fait référence à son potentiel industriel comme substitut au diamant.

Cependant, les propriétés conductrices et photochimiques sont quelques-unes des plus importantes. En outre, compte tenu de la capacité des fulerènes à se combiner avec d'autres molécules, des matériaux sont obtenus avec un énorme potentiel. Les fulerènes peuvent être utilisés comme isolants électriques ou comme semi-conducteurs, en fonction du composé auquel ils sont associés. Les matériaux isolants ne laissent pas passer le courant électrique, tandis que les semi-conducteurs, tout en agissant comme isolants dans des conditions normales, sont capables d'absorber une petite quantité d'énergie du milieu, transportant ainsi le courant électrique. Pour cela, il est nécessaire de combiner les fulerènes avec d'autres molécules. Les propriétés photochimiques des fulerenos permettent d'obtenir de la lumière solaire l'énergie nécessaire pour conduire le courant électrique. Toutes ces propriétés ont permis aux fulerenos de commencer leur marche dans le domaine des énergies renouvelables. Dans plusieurs laboratoires, on étudie l'utilité et les avantages possibles des fulerenos dans ce domaine.

En 1999, ils ont présenté la cellule solaire photovoltaïque révolutionnaire formée de molécules dérivées de fulerène. En elles, la même molécule fournit et capte des électrons, ce qui permet d'augmenter l'efficacité cellulaire. Cependant, il est encore très tôt pour tirer des conclusions. Les auteurs ont encore reconnu que l'efficacité de cette cellule est très faible, mais avec l'utilisation de dérivés qui absorbent plus d'énergie solaire on peut s'attendre à des améliorations.

En général, les matériaux conduisant le courant électrique perdent de l'énergie en raison du phénomène appelé résistance électrique. C'est parce que les électrons qui se déplacent du conducteur ont des obstacles dans leur mouvement. Cela, bien sûr, a son influence sur les cellules solaires, car une quantité d'énergie solaire est perdue. Pendant ce siècle, cependant, des matériaux sans résistance ont été trouvés ! Cela signifie que les électrons ne perdent pas d'énergie dans leur mouvement. Ces matériaux sont appelés supraconducteurs. De nombreux matériaux supraconducteurs ont été trouvés, mais tous ont le même problème : des températures très basses sont nécessaires pour que la supraconductivité apparaisse, car les obstacles subis par les électrons disparaissent.

Les fulerènes combinés avec du potassium (K) ou du baryum (Ba) à 33K ou -240 ºC sont des superconducteurs.

Nous avons vu que les fulerenos peuvent avoir beaucoup d'applications. Chaque jour, de nombreuses applications sont trouvées dans les nouveaux matériaux et, par conséquent, ceux qui sont actuellement que des spéculations, deviennent réalité. Quand une haute synthèse de fulerènes sera réalisée, ceux-ci deviendront réalité dans notre société.

La cellule solaire photovoltaïque convertit l'énergie venant du soleil en courant électrique. Pour cela, la cellule solaire a besoin de deux matériaux différents. L'un absorbe la lumière, libérant des électrons et l'autre les capte. Le courant électrique provient du mouvement de ces électrons.