Wytwarzanie i separacja fulerenów

Makroskopowe ilości fulerenów wytworzyli W. Krätschmer i D.R. Huffman w 1990 r., odparowując grafit w wyniku wytworzenia między elektrodami grafitowymi łuku elektrycznego zasilanego prądem stałym w obecności helu pod ciśnieniem ~133 hPa (~100 torów). W łuku powstaje gaz węglowy o temperaturze 6000-7000 K zawierający przede wszystkim węgiel atomowy i C₂; gdy gaz ekspanduje z obszaru międzyelektrodowego, jego temperatura spada w wyniku zderzeń z atomami helu, co prowadzi do powstawania krótkich struktur łańcuchowych C₂-C_l0, a w wyniku ich fuzji powstają pierścienie ulegające następnie polimeryzacji w warstwy grafitowe. Naprężenia powstające w rozrastających się warstwach grafitowych sprzyjają formowaniu się pięciokątów, które umożliwiają zakrzywianie płaszczyzn i zamknięcie ich w sferoidalną formę fulerenu. Przypuszcza się, że fulereny powstają w obszarze poza łukiem, gdzie temperatura gazu spada do ~2000 K. Procesy prowadzące do kondensacji par węgla w postać fulerenów nie zostały szczegółowo poznane. Sadze wytworzone w łuku zawierają do 30% wagowych fulerenów, przeważnie C₆₀ i C₇₀ o stosunku molowym ok. 4 : 1. Wydajność procesu zależy przede wszystkim od gęstości prądu łuku (~160 A/cm²), odległości między elektrodami (<0,5 mm — tzw. łuk kontaktowy) oraz rodzaju i ciśnienia gazu chłodzącego pary węgla (hel, ciśnienie 0,2 Atm).

Rysunek 3. Schemat układu do wytwarzania fulerenów i nanorurek węglowych z automatyczną kontrolą położenia elektrod i układem optycznym do diagnostyki plazmy

Fulereny są rozpuszczalne w wielu rozpuszczalnikach organicznych, jak: benzen, toluen, acetonitryl, heksan, można je zatem wypłukać z sadzy wytworzonej w łuku elektrycznym, a następnie rozdzielić na frakcje metodą chromatografii cieczowej. Fulereny powstają również podczas oporowego lub indukcyjnego odparowania grafitu lub pyłu grafitowego, spalania benzenu lub acetylenu w atmosferze tlenu w obecności gazu obojętnego lub podczas laserowego odparowania związków aromatycznych. Metoda płomieniowa wytwarzania fulerenów ma wiele zalet, m.in. jest mniej energochłonna, a proces można prowadzić w sposób ciągły, niestety z małymi wydajnościami — w doświadczeniach nad wytwarzaniem sadzy w płomieniu benzenowo-tlenowym z 25-procentowym dodatkiem helu osiągnięto wydajność zaledwie ok. 20% masowych fulerenów w sadzy, przy wydajności wytwarzania sadzy zaledwie 0,5% masowych w stosunku do masy wprowadzonego węgla. Prowadzi się również badania nad wytwarzaniem fulerenów metodą funkcjonalizacji policyklicznych węglowodorów aromatycznych. Wyjściowymi substratami reakcji mogłyby być węglowodory ze skondensowanymi pierścieniami: fluoranten (pyren) C₁₆H₁₀, chrysen (benzofenantren) C₁₈H₁₂ lub koranulen C₂₀H₁₀. Pomimo poszukiwań innych metod, metoda łukowa pozostaje nadal jedyną stosowaną do produkcji fulerenów.