Fullerene (buckyball), allotropik karbon modifikasyonudur;
genellikle bir karbon moleküler formu olarak adlandırılır. Fulleren ailesi geniş
bir yelpazede, beşgen ve altıgen yüzleri olan polihedral küremsi şekilli (nadir
istisnalarla) Cn (n > 20) atomik karbon kümeleri (cluster)
içerir. Sübstitüe edilmemiş fullerenlerde karbon atomları, trikoordinatlı ve
sp2-hibridleşmiş olup, küresel konjuge doymamış bir sistem oluşturur.
Normal koşullar altında karbonun termodinamik bakımdan en
kararlı formu, gevşek bağlı grafen levhalar ve düz atomik bal peteği kafesleri
yığını olan grafittir. Her atom, üç komşu ile bağlantılıdır, dördüncü valens
elektron p-sistemi
oluşturur, yani karbon atomları sp2-hibrid haldedir. Grafen levhalardaki
geometrik kusurlar, kapalı bir 3D yapıya neden olabilir. Euler teoremi, her bir köşesinde üç bağ (kenar) bulunan herhangi
bir çokgenin, altıgen yüzlerin sayısına bakılmaksızın, 12 beşgen içerecek
şekilde düzenlenmesi gerektiğini söyler. Veya, başka bir deyişle, Euler teoremi
fullerenlerin oluşum prensibini, n tane altıgenin her bir küresel ağının
kapatılması için 12 beşgene ihtiyaç duyulduğu şeklinde açıklar. Böylece, mümkün
olan en küçük fullerene, dodekahedrondur (C20).
Bununla birlikte, C20 ve diğer küçük yapılı
karbon atomlarının yüksek eğriliği, düz koordinasyonu tercih eden sp2-melez
karbon hali için çok uygun değildir. Bu nedenle, en küçük kararlı fulleren, tüm
beşgen yüzlerin birbirlerinden bir altıgenle ayrıldığı ikosahedrondur (C60).
Bu gerçek, fullerene kimyasında iyi bilinen izole beşgen
kuralı (IPR) 'nin bir tezahürüdür ve uygun tüm saf fullerenler tarafından
yerine getirilir. IPR nedeniyle C60 fullereni, izole beşgenli ara
yapılar olmadığından C70 izler. C70'in ötesinde, daha
yüksek fullerenes olarak adlandırılan, herhangi bir çift sayıda karbon atomu
olan fullerenler bulunur. Ayrıca, C78'den başlayarak, her karbon
iskeletinde birkaç kararlı izomer gözlemlenir.
Fulleren sentezi ağırlıklı olarak ark deşarj tekniği ile, aynı
zamanda helyum atmosferinde grafitin elektron demeti veya lazer ablasyonu
işlemlenmesi yoluyla gerçekleştirilir Reaktörün soğuk yüzeyi üzererinde yoğunlaşan
kurum (is) toplanır ve kaynar toluen, benzen, ksilen veya diğer aromatik solventlerle
ekstrakt edilir. Solventin buharlaştırmadan sonra kalan siyah artık, büyük
miktarlarda C60 ve C70 ve az miktarda da daha yüksek fullerenler
içerir. Sentetik parametrelere bağlı olarak, C60 ve C70
arasındaki oran değişebilir, ancak genellikle C60 içeriği
C70'inkinden birkaç kat daha fazladır. Yüksek fullerenes arasında C84,
C76 ve C78 hakimdir. Genel olarak miktarlar molekül
boyutla azalır.
C60, en kolay elde edilebilen ve yaygın olarak
incelenen fullerendir. Yüksek simetri nedeniyle tüm atomların eşdeğer olduğu
molekülü, merkezden atom çekirdeğine ~ 0.36 nm uzaklıkta ve van der Waals
yarıçapı ~ 0.5 nm olan küresel bir şekle sahiptir. C60, moleküler
kristalleri oluşturur; moleküller yüz-merkezli bir kübik düğümlerde lokalize
olmuştur (yani üç-tabakalı, sıkı paketlenmiş latis). Yüksek sıcaklıklarda, C60
sıvı fazı oluşturmadan süblümleşir. C60, raromatik substanslar ve
karbon disülfür gibi solventlerdeki çözünürlüğü çok fazla ken, polar
solventlerdeki çözünürlüğü çok zayıftır. Uzun elipsoidal bir şekle sahip olan C70'in
fiziksel ve kimyasal özellikleri C60'ın fiziksel ve kimyasal
özelliklerine benzerdir.
Fullerenlerin çeşitli türevleri vardır. Karbon kafesteki
atomların ve küçük kümelerin kapsüllenmesiyle endohedral fullerenler elde
edilir; ilginç bir örnek, metalofullerenlerdir (örneğin, La@C82, Sc3N@C80).
Kafes karbon atomlarının sübstitüsyonuyla heterofullerenler oluşur (örnekler, C59B,
C48N12, C59-2nFe, n = 0-10, veya C60,70Mx,
where M = Rh, Ir ve x = 3-15 Rh ,ç,n ve x = 2 - 5 Iriçin). Fulleren
kafesin neredeyse tüm karbon atomları bir reaksiyon sitesi (bölgesi)
olduğundan, eksohedral katılma ürünleri en büyük aileyi oluşturur; özellikle
fulleren hidrojenasyon ve halojenasyonu ile ve bunların organik radikaller ve
halkalarla fonksiyonlandırılmasıyla oluşan ürünleri tipik örneklerdir. Ayrıca
fulleren içeren polimerler ve polisferoid fulleren türevleri üretilmiştir.
Kimyasal fonksiyonalizasyonla genellikle değişen sayıda ilave madde ve karmaşık
bir izomerik kompozisyon ile karışımlar üretir. Örneğin, C60
durumunda, karbon iskeletini bozmadan 48 kadar sübstitüent bağlanabilir (ör., C60F48).
Fullerenler birçok alanda pratik ilgi odağıdır. Kondens
(yoğun) fazda fullerenler ve bunların türevleri n-tipi yarıiletkenler olarak
kabul edilebilir (C60 için yaklaşık 1.5 eV'lik bir bant açısı ile).
Bunlar ultraviyole ve görünür bölgedeki ışını kolayca absorbe eder.
Fullerenlerin küresel konjuge p-sistemleri,
yüksek elektron çekme kabiliyeti kazandırır (C60 elektron afinitesi
2.7 eV, bircok daha yüksek fullerenlerde 3eV'yi aşar ve bazı türevlerde daha da
yüksek olabilir). Bu özellik nedeniyle fullerenler fotovoltaikler için önemli bileşiklerdir;
güneş hücrelerinde (% 5.5 verimlilikte örnekleri olan) fullerene dayalı
verici-alıcı dyadlar, fotosensörler ve diğer moleküler elektronik cihazlar
gibi. Ayrıca, özellikle antimikrobiyal ve antiviral ajanların geliştirilmesi,
fotodinamik terapi için ajanlar gibi biyomedikal fulleren uygulamaları üzerinde
de çalışılmaktadır.
