מאוחר יותר נתגלה כי C60 ופולרנים אחרים מתקיימים גם מחוץ לסביבה מעבדתית (לדוגמה, בפיח מנרות). שימוש בטכניקות שפיתחו דונלד האפמן, וולפגנג קרצ'מר ועמיתיהם איפשר כבר בשנת 1990 ייצור גרמים אחדים של אבקת פולרן בקלות יחסית. עם זאת, זיקוק פולרן הוא עדיין אתגר לכימאים וקובע את מחירם הגבוה של הפולרנים.
פולרנים אנדוהדראליים הם מולקולות המכילות יונים או מולקולות קטנות בתוך כלוב האטומים. פולרן מגיב בצורה לא רגילה בהרבה ריאקציות אורגניות, כגון ריאקציית בינגל שנתגלתה בשנת 1993.
מתן השם.
הצורה שיוצרים אטומי הפחמן ב-C60, היא פאון ארכימדי הקרוי "איקוסהדרון קטום". סמולי ושותפיו נתנו לצורה את השם באקמינסטרפולרן (C60) על שמו של ריצ'רד באקמינסטר פולר, אדריכל וממציא ידוע שפיתח את הכיפה הגאודזית שהיא חלק של הפאון השלן. צורה זו היא גם הבסיס הגאומטרי של כדור כדורגל העשוי מחומשים ומשושים, והיא קרויה גם "כדור באקי" (Bucky-ball), על שם כינויו של פולר - "באקי".
כיוון שגילוי משפחת הפולרן בא אחרי הבאקמינסטרפולרן, השם קוצר על מנת להסביר שהאחרון הוא סוג של הראשון.
גילוי הננו-צינורות.
אחת התוצאות החשובות של גילוי הפולרנים היה גילוי תצורות נוספות של פחמן הקרויות ננו-צינורות. בגרפיט, אטומי הפחמן מסתדרים בטבעות משושות שמשתלבות יחד ליצור ריצוף, וכך נוצרים מעין דפים דקים של פחמן. בפולרנים, קיומן של טבעות מחומשות יוצר עקמומיות המאפשרת היווצרות כדורים. באופן דומה, ניתן ליצור מבנים תלת-ממדיים של משושים אשר יוצרים צורה של צינור.
לצינורות אלה של פחמן יש בדרך כלל עובי של ננומטרים בודדים, ואורכם נע בין פחות ממיקרומטר עד למספר מילימטרים. לרובם יש קצוות סגורים, אך הקצוות יכולים להיות גם פתוחים. ישנם גם מקרים שבהם קוטר הצינור קטן לפני שהוא נסגר.
המבנה המולקולארי שלהם גורם לתכונות מאקרוסקופיות ייחודיות, כולל חוזק מתיחתי גבוה, מוליכות חשמלית גבוהה, גמישות גבוהה, עמידות גבוהה לחום, ואינרטיות כימית מסוימת כיוון שבמולקולה העגולה אין אטומים חשופים שניתן להחליפם בקלות, כמו במקרה של בנזן.
תכונות אלו הביאו לשפע של שימושים טכנולוגיים, בעיקר ליצירת חומרים קלים וחזקים - תכונה פונקציונלית ביצור של שכפ"צים, אופניים ומטוסים - ולרעיונות שלא מומשו עדיין, כגון בנייה של 'מעלית לחלל החיצון' המבוססת על ננו-צינורות.
סוגים של פולרנים.
באקמינסטרפולרן.
באקמינסטרפולרן הוא הפולרן הקטן ביותר שבו שני מחומשים לא חולקים גבול (מה שיכול לגרום לאי יציבות). הוא גם הנפוץ ביותר במונחים של יצירה בדרכים טבעיות, כיוון שניתן לגלותו בהרבה מקרים בפיח.
המבנה של C60 הוא איקוסהדרון T=3 קטום, הדומה לכדורגל מהסוג שמורכב ממשושים ומחומשים, עם אטום פחמן בפינות של כל משושה, וקשר לאורך כל צלע.
למולקולת C60 יש שני אורכי קשר. קשרי טבעת 6:6 (בין שני משושים) יכולים להיחשב כ"קשר כפול", והם קצרים יותר מאשר קשרי 6:5 (בין משושה ומחומש).
כדור באקי מבור.
סוג חדש של כדור באקי המנצל אטומי בורון במקום הפחמן הרגיל נחזה ותואר על ידי חוקרים מאוניברסיטת רייס. הם ניבאו כי המבנה B80 יציב יותר מאשר כדור באקי עם מבנה C60. סיבה אחת לכך, שניתנה על ידי החוקרים, היא שהמבנה B80 הוא למעשה בעל דמיון רב יותר לכיפה הגיאודזית המקורית שנבנתה על ידי באקמינסטר פולר המנצלת משולשים על פני משושים.
המתמטיקה מאחורי פולרנים.
במונחים מתמטיים, המבנה של פולרן הוא פאון טריוולנטי קמור עם פנים משושים ומחומשים. לפי תורת הגרפים, המונח פולרן מתייחס לכל גרף תלת-מישורי-רגיל שכל הפנים שלו הן בגודל 5 או 6 (כולל הפנים החיצוניים). נוסחת אוילר לפאון, V|-|E|+|F| = 2|, נובע כי (כאשר |V|-|E|+|F| מתארים את המספר של קודקודים, מקצועות ופנים) ישנם בדיוק 12 מחומשים בפולרן.
הפולרן הקטן ביותר הוא דודקהדרון- C20 המיוחד. אין פולרנים עם 22 קודקודים. מספר הפולרנים C2n גדל ככל ש-n גדל (...n = 12,13,14) בערך בפרופורציה ל-n9. לדוגמה, ישנם 1812 פולרנים לא-איזומורפיים מסוג C60. יש לשים לב שרק צורת אחת של C60, הבאקמינסטרפולרן המכונה גם איקוסהדרון קטום, איננה בעלת מחומשים סמוכים (הפולרן הקטן ביותר שמתנהג כך).
על מנת לתת מושג על המשך הגדילה, ישנם 214,127,713 פולרנים לא איזומורפיים מסוג C200, כאשר ל-15,655,672 מתוכם אין מחומשים סמוכים.
תכונות.
ארומטיות.
חוקרים הצליחו להגדיל את האקטיביות של פולרנים על ידי סיפוח קבוצות פעילות לפני השטח שלהם.
באקמינסטרפולרן היא מולקולה שאיננה מציגה "סופר-ארומאטיות": כלומר, האלקטרונים בטבעות המשושות אינם בלתי מאותרים על פני כל המולקולה.
לפולרן כדורי בעל n אטומי פחמן יש n אלקטרונים בקשרי פאי. המכניקה הקוונטית של סידור כזה צריכה להיות כמו של קליפה אחת, כמו במבנה הקוונטי הידוע של אטום יחיד, עם קליפה מלאה ויציבה עבור n = 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, 128 וכו', כלומר - בדיוק כפול ממספר ריבועי; אולם, סדרה זו לא כוללת את המספר 60. כתוצאה מכך, C60 במים נוטה לאסוף שני אלקטרונים ולהפוך לאניון. ה- nC60 המתוארת מתחת עשויה להיות תוצאה של C60 המנסה ליצור קשר מתכתי בצורה חופשית.
מסיסות.
פולרנים הם חומרים קשי תמס בממיסים רבים. הממיסים הנפוצים כוללים פחמן דו-גופרי וחומרים ארומטיים כגון טולואן.
לתמיסות של באקמינסטרפולרן טהור יש צבע סגול חזק. תמיסות של C70 הן בעלות צבע חום אדמדם. לפולרנים הגבוהים C76 עד C84 יש מגוון צבעים. ל-C76 ישנן שתי צורות אופטימליות, בעוד שלפולרנים גבוהים אחרים יש מספר איזומרים מבניים. פולרנים הם האלוטרופים היחידים הידועים של פחמן שיכולים להתמוסס בממיסים נפוצים בטמפרטורת החדר.
מספר מבנים פולרניים אינם מסיסים מפני שיש להם רוחב פס קטן מדי בין מצב היסוד והמצבים המעוררים. אלה כוללים את הפולרנים הקטנים C36 ו-C50. מבנה ה-C72 נכלל גם בסיווג זה, אבל הגרסה האנדוהדראלית עם האטום הלכוד מקבוצת הלנתנידים כן מסיסה בעקבות האינטראקציה של אטום המתכת והמצבים האלקטרוניים של הפולרן.
במקור, החוקרים היו מבולבלים מכך ש-C72 אינו נוכח במקטע פולרן שנוצר בפלזמה, אבל כן נמצא בדוגמאות אנדוהדראליות. פולרנים בעלי רוחב פס צר הם אקטיביים מאוד ונקשרים לפולרנים אחרים או לחלקיקי פיח.
להלן רשימה של ממיסים המסוגלים להמיס מקטע פולרן מעורב (C60 / C70) המסודרים מהמסיסות הגבוהה ביותר. הערך בסוגריים הוא ריכוז הרוויה המשוער.
תכונות כימיות נוספות.
פולרנים הם יציבים, אבל לא אינרטיים לחלוטין. אטומי הפחמן המוכלאים-sp2, שנמצאים במינימום אנרגיה בגרפיט מישורי, חייבים להתכופף כדי ליצור את הכדור או הצינור הסגורים, מה שמייצר מגבלת זווית.
הריאקציה האופיינית לפולרנים היא ספיחה אלקטרופילית בקשרי 6-6-כפולים, שמפחיתה את מגבלת הזווית על ידי שינוי הפחמנים עם הכלאת sp2 למוכלאי-sp3. השינוי באורביטלים המוכלאים גורם לזווית הקשר לקטון של 120 מעלות בערך באורביטלי sp2, לזווית של 109.5 מעלות בערך באורביטלי sp3. הפחתה זו בזוויות הקשר מאפשרת לקשרים להתכופף פחות כאשר הם סוגרים למבנה של כדור או צינור, וכך - המולקולה הופכת ליותר יציבה.
אטומים זרים עשויים להילכד בתוך פולרנים וליצור תרכובות סופחות הידועות כפולרנים אנדוהדראליים. דוגמה יוצאת דופן היא תצורת הפולרן דמוי הביצה Tb3N@C84, שמפרה את כלל המחומש המבודד. עדויות חדשות לפגיעת מטאור בעידן הפרמיאני נמצאו על ידי אנליזה של גזים אציליים שהשתמרו כך.
מדע בסיסי הנעשה באמצעות פולרנים.
מאז גילויים, הפולרנים הפכו לנושא אטרקטיבי במיוחד למחקר מדעי טהור, מכיוון שניתן לייצר כמויות מקרוסקופיות של מולקולות קטנות במיוחד שלהם, שכולן מאותו הסוג.
ספקטרוסקופיה.
ישנם חישובים רבים שנעשו תוך שימוש בשיטות קוונטיות יסודיות שיושמו לגבי פולרנים. על ידי שימוש בשיטות קוונטיות ניתן להשיג ספקטרה IR, ראמאן ו-UV של פולרנים. תוצאות של חישובים אלה ניתנות להשוואה לתוצאות שהתקבלו בניסויים.
דואליות גל חלקיק בפולרנים.
בשנת 1999, חוקרים מאוניברסיטת וינה הדגימו שדואליות גל-חלקיק ישימה למקרומולקולות כמו פולרן. אחד משני העורכים-השותפים של המחקר, ג'וליאן ווס-אנדרה, נעשה אומן ופיסל מאז מספר פסלים המסמלים את דואליות הגל-חלקיק בבאקמינסטרפולרנים.
כתב המדע מרקוס צ'און התייחס בתוכנית הרדיו של ה-CBC "קווארקים ומוזרים" במאי 2006 לכך שישנו מדען שבעבודתו חוקר כיצד כדורי באקי עוקבים אחר ההתנהגות הקוונטית של אטומים, שנראה כי הם נמצאים בשני מקומות בו זמנית. העבודה על תופעה זו עדיין נמשכת.
שימושים.
במהלך העשור האחרון, התכונות הפיזיקאליות והכימיות של פולרנים היו "נושא חם" בשדה המחקר והפיתוח, וסביר להניח שימשיכו להיות כאלה למשך זמן רב. המגזין "מדע פופולרי" פרסם מאמרים על שימושים אפשריים של פולרנים בתחום השריון. באפריל 2003, פולרנים נחקרו בהקשר לפוטנציאל שלהם בשימוש רפואי: קשירת אנטיביוטים ספציפיים למבנה פולרני כדי לפגוע בחיידקים, ואפילו כדי לפגוע בתאים סרטניים כמו במלנומה. מהדורת אוקטובר 2005 של המגזין "כימיה וביולוגיה" כוללת מאמר המתאר את השימוש בפולרנים כגורמים אנטיבקטריאליים קלי הפעלה.
בתחום הננוטכנולוגיה התכונות של עמידות לחום ומוליכות-על הן מהתכונות הנחקרות ביותר של פולרנים.
אופני היצירה של פולרנים.
שיטה נפוצה להפקת פולרנים היא הפקת זרם חשמלי חזק בין שתי אלקטרודות גרפיט קרובות, בסביבה אינרטית. הפלזמה הפחמנית שנוצרת בקשת בין שתי האלקטרודות מתקררת ונוצרות שאריות פיח, מתוכן ניתן לבודד פולרנים.
בטיחות.