ÁREA: Físico-Química
TÍTULO: Estudo teórico Químico-Quântico comparativo das propriedades do C60-Buckminsterfulereno e C60(D5d)
AUTORES: SILVA, C.S. (UFAM) ; OLIVEIRA, K.M.T. (UFAM) ; CARVALHO, L.E. (INPA) ; OLIVEIRA, K.M.T. (OLIVEIRA, K.)
RESUMO: Os Buckminsterfulerenos e os Nanotubos de carbono são duas formas alotrópicas de carbono que chamam bastante atenção e são objetos de vários estudos, posto que até hoje não tiveram suas propriedades totalmente elucidadas. Ambas as classes apresentam moléculas formadas por 60 átomos de carbono, diferindo apenas pela simetria. As estruturas foram otimizadas no programa Gaussian 2003TM, sendo os cálculos realizados nos métodos Austin Model 1(AM1), Harteer-Fock(HF) com base de 3-21g e na Teoria da Densidade Funcional(DFT) em b3lyp com base 3-21g. Os resultados mostram que as diferenças existentes nas propriedades estruturais e eletrônicas estão relacionadas diretamente com a simetria que as moléculas apresentam.
PALAVRAS CHAVES: buckminsterfulereno, nanotubos, carbono
INTRODUÇÃO: Atualmente, existem quatro formas alotrópicas do carbono: o grafite, que é umas das substâncias mais frágeis que se conhece e do ponto de vista econômico umas das mais baratas; o diamante, que é a mais dura que se conhece e também a mais cara; as outras duas formas são o Buckminsterfulereno e o Nanotubo de carbono. Essas duas últimas formas chamam bastante atenção e são objetos de vários estudos porque até hoje não tiveram suas propriedades totalmente elucidadas.
Da classe do Buckminsterfulereno, o mais conhecido é C60-Buckminsterfulereno, conhecido popularmente como fulereno. O fulereno, que possui uma geometria isoctaédrica, é um poliedro com 20 faces hexagonais e 12 pentagonais, aonde cada face pentagonal é rodeada por outras 5 hexagonais, sendo que hexágonos são arranjados de modo que entre dois pentágonos não haja uma aresta comum.
Um dos nanotubos de carbono mais simples que se conhece é o C60 (com simetria D5d), formado por uma única folha de grafeno, com 20 faces hexagonais e 12 pentagonais. Esse nanotubo é sintetizado como os demais, através do método das descargas elétricas dos arcos. Apesar de ser um dos nanotubos de carbono mais simples que se conhece, ainda não se sabe ao certo suas propriedades estruturais e eletrônicas.
MATERIAL E MÉTODOS: Foi utilizado um pacote de cálculo de mecânica quântica Gaussian 2003TM. O modelo consiste em duas moléculas isômeras formadas por 60 átomos de carbono, sendo que uma possui uma geometria isoctaédrica, conhecida como C60-Bucminsterfulereno, e a outra possui uma geometria D5d, que é o nanotubo de carbono C60(D5d).
As estruturas foram otimizadas no programa Gaussian 2003TM, na busca da estrutura de mais baixa energia, depois foram calculadas as energias da estruturas já otimizadas. Os cálculos foram realizados em três métodos: Austin Model 1(AM1), Harteer-Fock(HF) com base de 3-21g e na Teoria da Densidade Funcional(DFT) em b3lyp com base 3-21g.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Os valores encontrados para fulereno mostram que o pentágono possui um único comprimento de ligação (tabela 1). Os resultados se aproximam bastante do experimental, com maior precisão b3lyp. Foi observado que o hexágono possui dois comprimentos de ligação, sendo uma ligação σ; e uma aromática (tabela 2). Os resultados se aproximam bastante do experimental, com maior precisão b3lyp. Os resultados apontam uma simetria com sp2, aonde pode se notar que os pentágonos são compostos por ligações σ; e os hexágonos são formadas por ligações alternadas σ e arómaticas.
Os valores médios para os comprimentos do nanotubo são muito semelhantes, os métodos apresentaram uma variação nos comprimentos de ligação que vão de 1,37Å a 1,48Å (tabela 3). Essa variação está de acordo com trabalhos para nanotubos pequenos que demonstram essa variação, a qual pode ser explicada pelo seu tamanho reduzido.
Os resultados de cargas do fulereno apresentaram todos os átomos com carga zero (tabela 4), explicado pelo fato da molécula ter uma perfeita simetria. O nanotubo apresentou valores de cargas para os três métodos calculados. Os valores de cargas positivas e neutras encontram-se no corpo central do nanotubo, enquanto que os das cargas negativas estão situados na tampa do nanotubo. Os resultados apresentados podem ser explicados pela deficiência estrutural apresentada pelo nanotubo.
O fulereno teve momento dipolar zero, para todos os métodos utilizados, devido ao fato da molécula não apresentar cargas. O nanotubo apresentou momento dipolar diferente de zero.
CONCLUSÕES: O Modelo químico-quântico apresentou-se muito satisfatório para a descrição das propriedades estruturais e eletrônicas das moléculas de C60-Buckminsterfulereno e C60(D5d). Os três métodos de cálculo foram muito precisos, quando os resultados foram comparados com resultados experimentais.
Pelos resultados, pode se notar que as diferenças existentes nas propriedades estruturais e eletrônicas estão relacionadas diretamente com a simetria que as moléculas apresentam.
AGRADECIMENTOS: FAPEAM
CNPq
CAPES
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: ROCHA FILHO, R. C.” Os fulerenos e sua espantosa geometria molecular”. Química Nova na Escola, São Paulo, n. 4, p. 7-11, 1996.
H.W. Kroto et al., “C60 Buckminsterfullerene”, Nature318 (1985), p. 162
SANTOS, J. D. ; LONGO, E. ; TAFT, C. A. . “An investigation of oxidation and reduction of C60, the excited states, energy gaps and stability using semi-empirical and Ab initio methods”. Journal of Molecular Structure, Journal of Molecular Structure, v. 538, p. 211-223, 2001
Green W. H., Jr., Gorun S. M., Fitzgerald G., Fowler P. W., Ceulemans A., and Titeca B. C..” Electronic Structures and Geometries of C60Anions via Density Functional Calculations” J. phys. Chem. 1996, 100, 14892-14898.
