I fullertubi sono fullereni tubolari con una sezione centrale simile a un nanotubo e terminali simili al fullerene che costituiscono una nuova e solubile forma allotropica di carbonio la cui struttura unisce nanotubi di carbonio, grafene e subunità di fullerene.
A differenza dei nanotubi, i fullertubi hanno una struttura riproducibile, possiedono un peso molecolare definito e sono solubili nella forma originaria e, per la loro geometria, assomigliano a una capsula medicinale.
La scoperta dei fullertubi risale al 2020 grazie agli studi di Harry Dorn, un chimico del Virginia Polytechnic Institute and State University che lavora con Steven Stevenson della Purdue University. Secondo i loro scopritori i fullertubi, a causa della loro cristallinità, possono essere conduttori o semiconduttori e, un giorno potranno essere collegati come i mattoncini Lego su scala nanometrica per creare minuscoli circuiti.
Preparazione dei fullertubi
I fullertubi sono stati sotto gli occhi dei chimici per anni, nascosti nella fuliggine di carbonio che è la fonte primaria dei fullereni. La fuliggine viene generalmente prodotta vaporizzando il carbonio delle barre di grafite all’interno di una camera. Quando il vapore di carbonio si raffredda sulle sue pareti, gran parte di esso si condensa in fullereni, ma si formano anche piccole quantità di fullertubi.
La scoperta di Stevenson si basa sull’utilizzo di molecole idrosolubili come le ammine che sono attratte dalle intersezioni tra le parti esagonali a quelle pentagonali che sono presenti in tutti i fullereni. I nanotubi, d’altro canto, presentano solo esagoni e quindi le ammine non subiscono attrazione mentre i tubi pieni sono parzialmente protetti dalle ammine grazie alle loro sezioni centrali di nanotubi.
Quindi, mentre le ammine si legano ai fullereni, rendendoli solubili in acqua, i fullertubi non reagiti rimangono insolubili. Pertanto si può semplicemente sciacquare via i fullereni, rimanendo così isolati i fullertubi
Struttura dei fullertubi
I fullertubi sono definiti dai loro due cappucci terminali a base di fullerene e dalla sezione centrale tubolare che assomiglia a un singolo strato di esagoni di grafene laminati. Analogamente ai nanotubi di carbonio, la configurazione dei fullertubi può essere del tipo a sedia, a zigzag e ad anello a spirale.
Per quanto attiene le parti terminali in fullerene vi sono tre possibilità. Nella prima tra queste possibilità è presente una metà di un C60 con un asse di simmetria basato su pentagono come, ad esempio, C90-D5h e C100-D5d, con tubo a sedia. La seconda possibilità prevede la metà di un C60 con l’asse di simmetria a base esagonale come, ad esempio, C96-D3d, con un tubo a zigzag mentre nella terza possibilità l’asse di simmetria terminale è il vertice di fusione di anelli con un tubo ad anello a spirale.
La struttura più stretta e più lunga è elettricamente conduttiva mentre quella più larga e più corta è un semiconduttore, espandendo così le applicazioni ai transistor e ad altri dispositivi elettronici miniaturizzati. Inoltre i fullertubi hanno anche una ampia gamma di proprietà ottiche e tensili che i ricercatori stanno ancora esplorando.
Allotropia
Il carbonio ha molteplici forme allotropiche che vanno dalle più note grafite e diamante a fullerene, nanotubi di carbonio e grafene.
Solo di recente si sono aggiunti il bifenilene, i fullertubi, la nanoschiuma di carbonio e i nanoconi. L’allotropia è la proprietà di alcuni elementi appartenenti prevalentemente dei Gruppi 13, 14, 15 e 16 della Tavola Periodica . Essi possono presentarsi in forme diverse che differiscono tra loro per le proprietà fisiche e chimiche oltre che per la forma cristallina pur presentando lo stesso stato di aggregazione.
Per il carbonio, oltre allo stato amorfo, erano state dapprima individuate due forme
allotropiche costituite dal diamante e dalla grafite.
Nel diamante ciascun atomo di carbonio è legato tramite un legame covalente a quattro altri atomi di carbonio contigui ibridati sp3 tramite legami σ formando una struttura tetraedrica. Il diamante è un solido rigido, trasparente, elettricamente isolante ed è la sostanza più dura che si conosca infatti occupa il primo posto nella scala di Mohs.
La grafite è un solido grigio scuro, tenero e untuoso al tatto buon conduttore di elettricità e di calore. Nella grafite che è la forma termodinamicamente più stabile gli atomi di carbonio formano un reticolo esagonale a strati con legami σ e legami π all’interno di ogni strato mentre gli strati sono tenuti insieme da forze di Van der Waals.
Fu solo nel 1985 che si ottennero molecole contenenti 60 atomi di carbonio che sostituiscono i vertici di un icosaedro tronco costituito da dodici pentagoni e venti esagoni. Tale molecola denominata fullurene ha una forma simile a una sfera cava detta buckyball simile a un pallone da calcio.