Fullereny, cząsteczki węgla zawierające od kilkudziesięciu do kilkuset atomów, wchodzą w skład kryształów molekularnych tworzących odmianę alotropową węgla. Najbardziej trwałe fullereny to: C32, C44, C50, C58, C60, C70, C240, C540, C960. Cząsteczki te składają się z pierścieni pięcio- i sześcioatomowych, tworzących zamkniętą strukturę kopuł geodezyjnych skonstruowanych przez Richarda B. Fullera (stąd nazwa). Fullereny łatwo sublimują, są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Cząsteczki C60 (najbardziej stabilne) mają kształt piłki futbolowej, o średnicy powyżej 1 nm. C60 można otrzymać przez laserowe odparowanie grafitu w próżni (R.E. Smalley, 1985) lub w gazie obojętnym (W. Krötschmer, 1990) oraz wytworzenie łuku elektrycznego między elektrodami grafitowymi (w atmosferze helu). Rozdział fullerenów od innych związków węgla można wykonać za pomocą związków makrocyklicznych (tzw. kaliksarenów), które selektywnie tworzą z fullerenów odwracalne kompleksy typu gość-gospodarz.
Fullereny odnajdywane w przyrodzie są najprawdopodobniej pochodzenia pozaziemskiego, ponieważ gazy szlachetne uwięzione w ich wnętrzu mają nietypowy stosunek izotopów. Odkryto fullereny w śladowych ilościach w warstwie gliny bogatej w sadzę - pochodzącej z okresu kredowego (Nowa Zelandia). Cząsteczki C60 otoczone kolejnymi fullerenami (np. C240, C540, C960)) tworzą struktury hiperfullerenowe.
Wewnątrz cząsteczki fullerenu można umieścić atomy metali (tzw. metalofullereny). Przewiduje się, iż fullereny i ich metaliczne związki znajdą zastosowanie jako przewodniki, półprzewodniki, nadprzewodniki (nadprzewodnictwo), smary, włókna sztuczne, farmaceutyki. Efekt nadprzewodnictwa fullerenów osiągnięto m.in. umieszczając we wnętrzu fullerenu C60 cząsteczkę bromoformu, to rozdęcie sieci krystalicznej fullerenu zwiększyło jego gęstość elektronową, dodatkowo przyłożenie poprzecznego pola elektrycznego wzmogło przewodnictwo. Tak zmodyfikowany fulleren wykazał nadprzewodnictwo w temperaturach sięgających aż 117 K.
Monokryształ – materiał będący w całości jednym kryształem (np. kryształ cukru, soli, półprzewodnika). Monokryształ może zawierać w całej swej objętości niewielką ilość defektów tejże struktury, a jego zewnętrzna forma nie musi odzwierciedlać struktury krystalicznej.
Proces uzyskiwania monokryształów nazywa się monokrystalizacją.
Wyróżnia się następujące metody otrzymywania monokryształów:
* przez powolne odparowanie rozpuszczalnika
* przez powolne ochładzanie roztworu * przez powolną dyfuzję rozpuszczalników w fazie ciekłej * przez powolną dyfuzję reagentów * przez dyfuzję par * przez sublimację * przez wyciągania ze stopionej substancji (metoda Czochralskiego) * metoda wiszącej kropli * metoda kropli typu „sandwich” * metoda mikro-mostka * metoda Bridgmana-Stockbargera (z substancji stopionych) * metoda Verneuila * metoda beztyglowa
Kryształ fotoniczny to struktura o periodycznie (okresowo) rozłożonym współczynniku załamania, w której występuje fotoniczna przerwa energetyczna. Własności kryształów fotonicznych sprawiają, że są obecnie bardzo aktywnie badaną grupą materiałów i znajdują one liczne zastosowania.
Kryształy fotoniczne [2] zwykle wytwarzane są sztucznie w laboratoriach, ale występują również w przyrodzie (np. opal). Koncepcja stworzenia kryształów fotonicznych powstała jednocześnie w 1987 w dwóch ośrodkach badawczych na terenie USA. Pierwszy - Eli Yablonovitch (Bell Communications Research w New Jersey) pracował nad materiałami dla tranzystorów fotonicznych - sformułował pojęcie fotoniczna przerwa wzbroniona (ang. photonic bandgap). W tym samym czasie - Sajeev John (Priceton University) pracował nad zwiększeniem wydajności laserów stosowanych w telekomunikacji - odkrył tę samą przerwę. W 1991 roku Eli Yablonovith uzyskał pierwszy kryształ fotoniczny. W 1997 roku opracowana została masowa metoda wytwarzania kryształów (Shanhui Fan, John D. Joannopoulos).
Obecnie wytwarzane są struktury fotoniczne z przerwą fotoniczną dla długości fal elektromagnetycznych z zakresu widzialnego (400–700 nm). Przerwa fotoniczna występuje dla fal o długościach zbliżonych do okresu rozkładu współczynnika załamania - w przypadku fal widzialnych oznacza to, że na jeden okres rozkładu współczynnika załamania przypada ilość rzędu 1000 warstw atomowych. Występowanie fotonicznej przerwy wzbronionej jest analogiczne jak w przypadku półprzewodników (Równanie Schrödingera). Kryształy fotoniczne wytwarzane są m.in. z krzemu, również porowatego. Ze względu na budowę, kryształy fotoniczne dzieli się na jedno-, dwu- i trójwymiarowe. Najprostsza struktura to struktura jednowymiarowa. Jest to w istocie zwierciadło Bragga złożone z wielu warstw na przemian o dużym i małym współczynniku załamania światła. Zwierciadło Bragga działa jak zwykły filtr przepustowy, pewne częstotliwości są odbijane, a inne przepuszczane. Jeżeli zwiniemy zwierciadło Bragga w rurkę to otrzymamy strukturę dwuwymiarową.
Do modelowania pola elektromagnetycznego w kryształach fotonicznych stosuje się wiele metod znanych z innych dziedzin optyki czy elektrodynamiki. Wymienić tu można: metodę fal płaskich - PWM (ang. Plane wave method), metodę różnic skończonych w dziedzinie czasu FDTD (z ang. Finite Difference Time Domain), polegającą na numerycznym rozwiązywaniu równań Maxwella z zależnością czasową dla pola elektrycznego i pola magnetycznego, metodę momentów, wraz z jej licznymi odmianami, a także inne liczne metody półanalityczne i w pełni analityczne. Jak do tej pory, analityczne rozwiązanie równań Maxwella zostało znalezione tylko w najprostszym, jednowymiarowym krysztale fotonicznym.
Niektóre zastosowania:
* Zwierciadła selektywne rezonatorów laserowych,
* Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym, * Światłowody fotoniczne (photonic crystal fiber), włóknowe i planarne, * Półprzewodniki fotoniczne, * Ultrabiałe pigmenty, * Diody elektroluminescencyjne o zwiększonej sprawności, * Mikrorezonatory, * Metamateriały – materiały lewoskrętne, * Szerokopasmowe testowanie urządzeń fotonicznych, spektroskopia, interferometria czy koherentna tomografia optyczna (OCT) - wykorzystanie silnego efektu przesunięcia fazowego.
ChemiaMedycznaUG