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La Shungite e i Fullereni

Fino a poco tempo fa si riteneva che il carbonio si presentasse solo in due modalità allotropiche. Si intende per allotropia la capacità di un corpo composto da un solo tipo di atomi (corpo semplice) di esistere sotto forme molecolari o cristalline differenti: il carbonio amorfo e il carbonio cristallizzato (quest’ultimo comprendente tre forme naturali conosciute: il diamante, la grafite e la lonsdaleite quest’ultima scoperta nel 1967). Tali sostanze differiscono per la loro struttura atomica.

Per esempio nel diamante ogni atomo di carbonio è posto al centro di un tetraedro i cui vertici sono i quattro atomi più vicini. Questa particolare struttura atomica determina le proprietà del diamante tra cui quella di essere il minerale più duro conosciuto. 

Nella grafite invece, gli atomi di carbonio formano un anello esagonale la cui ripetizione crea una griglia solida e stabile come quella di un alveare. Queste lamelle sono disposte le une sulle altre in strati debolmente legati tra loro. Tale struttura spiega le peculiari proprietà della grafite: la sua scarsa solidità e la facilità con la quale si frammenta in piccole esfoliazioni. 

Il Nobel per la fisica 2010 ha premiato i ricercatori che per primi sono riusciti a “sfogliare” la grafite fino a ottenere uno strato di un solo atomo di spessore; questa griglia molto solida di atomi è chiamata grafene:

L’esistenza di molecole giganti di carbonio è stata ipotizzata dalla fisica quantistica. Nel 1970 Eiji Osawa, ricercatore giapponese dell’Università tecnica di Toyohashi, aveva avanzato l’ipotesi della possibile esistenza di strutture stabili contenenti 60 atomi di carbonio.

Il 4 settembre 1985 Harold Kroto, James Heath, Sean O’Brien, Robert Curl e Richard Smalley scoprirono il carbonio C60. Poco tempo dopo individuarono i primi fullereni, scoperta che è valsa a Kroto, Kurl e Smalley nel 1996 il premio Nobel per la chimica. 

Il nome fullereni ha origine da quello di Richard Buckneinster Fuller (1895-1983), ingegnere, architetto, inventore e scrittore americano, noto per aver scoperto il principio strutturale della tensegrità, vale a dire la proprietà di una struttura di reggersi mediante il gioco delle forze di tensione e compressione, grazie alla ripartizione ed equilibrio delle trazioni meccaniche nell’insieme della struttura stessa.

Fuller è inoltre noto per le sue opere sulla sinergetica, la sua partecipazione all’ipotesi Gaia, soprattutto come creatore del concetto architettonico della cupola geodesica realizzata per il padiglione degli Stati Uniti in occasione dell’esposizione universale di Montreal del 1967. 

La cupola geodesica immaginata da Fuller è l’esatta riproduzione della struttura del fullerene C60.  

I fullereni sono dunque una nuova forma di carbonio scoperta in laboratorio. Il più piccolo fullerene stabile (sei anelli pentagonali non adiacenti) riunisce 60 atomi di carbonio (C60) ed è costituito da 20 esagoni e da 12 pentagoni con un aspetto di pallone da football. Esistono altri fullereni come il C70, C72, C76 ecc.                         

              

              Fullerene C60                                         Fullerene C70

 

Dopo la scoperta i chimici hanno provato a produrre maggiori quantitativi di fullereni per poterne studiare più facilmente le singolari proprietà. Solo nel 1991 vengono messe a punto le tecniche per ottenere i fullereni in laboratorio, anche se ottenere un grammo di fullereni artificiali resta tuttora difficile.

Nel 1991 la rivista Schienze ha definito il fullerene “molecola dell’anno” definendola “la scoperta che più potrà influenzare la ricerca scientifica nei prossimi anni”.

Durante alcune reazioni fisico-chimiche i fullereni hanno comportamenti insoliti, probabilmente a causa della loro struttura simmetrica e perché costituiscono un involucro che può contenere nel nucleo altre molecole o ioni.  Contrariamente al diamante e alla grafite che rivestono la loro superficie esterna con atomi di idrogeno, i fullereni non hanno questa necessità molecolare. Si è stabilito invece che i fullereni naturali permettono ad alcuni radicali liberi di reagire tra loro, attirandoli sulla propria superficie senza perder la forma simmetrica sferica C60. 

 Secondo alcuni ricercatori la struttura pentagonale dei fullereni C60 dimostra che i fullereni sono molecole organiche, ovvero cristalli molecolari che rappresenterebbero il punto di contatto fra le sostanze organiche e inorganiche.

Ricercatori chimici hanno condotto ricerche per scoprire se si possono trovare fullereni in natura. Un geochimico russo ha fornito la prima prova che molecole di carbonio con struttura di fullereni sono presenti in natura. Osservando la SHUNGITE con il microscopio elettronico ad alta risoluzione Tsipursky ha rilevato che alcune immagini contenevano la stessa serie di cerchi bianchi e neri che caratterizzano il centro delle micrografie di campioni di fullereni sintetici.

Con la collaborazione di Peter Buseck, geochimico all’Università di Tampa in Arisona, Tsipursky ha identificato fullereni di carbonio 60 e 70 nella SHUNGITE. Buseck ha poi inviato dei campioni al chimico Robert L.Hettich all’Oak Ridge National Laboratory (Tennessee) che impiegando la spettrometria di massa ha analizzato i campioni senza sapere che provenivano da una fonte naturale e confermato la presenza dei fullereni. Tale scoperta è stata riportata nella rivista Scienze del luglio 1992. 

Nel 2006 uno studio sul mecanismo di formazione dei fullereni nella Shungite è stato intrapreso da scienziati N.I. Alexeev, V. Afanasiev, B.O. Bodiaghin, A.K. Sirotchin, N.A. Charykov e O.V.Arapov (rispettivamente dell’Ioffe Physicotechnical Institute , Russian Academy of Sciences, St. Petersbourg, Russia, Innovations of Leningrad Institutes and Enterprises, Closed Joint- Stock Company, St. Petersbourg, Russia) con i seguenti risultati: 

LA FORMAZIONE DELLE PARTICELLE DI FULLERENI NELLA SHUNGITE COMPRENDE UN CERTO NUMERO DI CARATTERISTICHE MORFOLOGICHE PECULIARIDELLE PARTICELLE OTTENUTE DAI PRODOTTI CHIMICI DI SINTESI.

LE PARTICELLE POSSIEDONO UNA CAVITA’, PROBABILMENTE PIENA D’ACQUA O DI TRACCE D’ACQUA.

NON ESISTONO NANO-AGGREGATI METALLICI INCAPSULATI ALL’INTERNI DEGLI STRATI FULLERENICI.

GLI STRATI FULLERENICI INTORNO ALLE NANO-PARTICELLE POSSONO PRESENTARE INTERVALLI TOPOLOGICI, CIO SIGNIFICA CHE LA SUPERFICIE NON HA L’ASPETTO DI FULLERENE NEL SENSO STRETTO DEL TERMINE.

LE PARTICELLE DI FULLERENE SONO PRESENTI SIA NELLA SHUNGITE DI TIPO III, CONTENENTE IL 40% DI ALUMINOSILICATI, SIA NELLA SHUNGITE DI TIPO I, DOVE LA COCENTRAZIONE DI ALUMINOSILICATI NON SUPERA QUALCHE CENTESIMO.

Altre ricerche sono state intraprese per capire se si possono trovare i fullereni in natura e hanno scoperto che se ne possono trovare nella fuliggine, in certe combustioni, nelle pietre fulguriti ma anche nello spazio interstellare.

La scoperta dei fullereni C60 e C70 in una nuvola di polveri cosmiche di una nebulosa planetaria è stata fatta da Jan Cami nel luglio 2010 mediante il telescopio Spitzer della Nasa.

Fullereni sono stati anche identificati nei crateri d’impatto di meteoriti (in particolare il cratere di Subdury in Canada, i meteoriti Allende e Murchison alla Hawaii) e attualmente sono in corso gli studi volti a stabilire se i fullereni provengano dai meteoriti o se si siano formati al momento dell’impatto. Tali informazioni hanno permesso agli scienziati di formulare ipotesi sul possibile ruolo giovato dai fullereni sul processo di sviluppo della vita sulla terra. Alcuni gas in effetti possono venire facilmente intrappolati all’interno di molecole cave, e un gruppo di ricercatori ha scoperto tracce di una forma di elio nei fullereni trovati nel cratere di Sudbury.

E’ teoricamente possibile che fullereni di origine stellare, abbiano potuto trasportare sia il carbonio indispensabile alla vita sia sostanze volatili in grado di produrre le condizioni necessarie alla vita sul pianeta.

 

Ultima modifica ilLunedì, 06 Marzo 2017 10:10

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