Фуллерен

Происхождение термина «фуллерен» связано с именем американского архитектора Ричарда Букминстера Фуллера, конструировавшего полусферические архитектурные конструкции, состоящие в виде шестиугольников и пятиугольников. В середине 60-х годов Дэвид Джонс конструировал замкнутые сфероидальные клетки из графитовых слоев своеобразным образом свернутых. Было показано, что в качестве дефекта, внедренного в гексагональную решетку обычного графита, приводящего к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник. В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен является новой формой углерода. Молекула С₆₀ содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Поэтому некоторые авторы отмечают, что молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) – это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.

В начале 70-х годов Е. Осава предположил существование полой, высокосимметричной молекулы С₆₀, со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч (рисунок 14):

Чуть позже (1973 г.) российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин сделали первые теоретические квантово-химические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность. В 1985 г. коллективу ученых (Г. Крото (Англия), Хит, О'Брайен, Р.Ф. Керл и Р. Смолли (США)) удалось обнаружить молекулу фуллерена при исследовании масс-спектров паров графита после лазерного облучения твердого образца.

Первый способ получения и выделения твердого кристаллического фуллерена был предложен в 1990 г. В. Кречмером и Д. Хафманом с коллегами в институте ядерной физики в г. Гейдельберге (Германия). В 1991 г. японский ученый Иджима на полярном ионном микроскопе впервые наблюдал различные структуры, составленные, как и в случае графита, из шестичленных колец углерода: нанотрубки, конусы, наночастицы. В 1992 г. в природном углеродном минерале – шунгите (свое название этот минерал получил от названия поселка Шуньга в Карелии) были обнаружены природные фуллерены.

В 1997 г. Р.Е. Смолли, Р.Ф. Керл, Г. Крото получили Нобелевскую премию по химии за изучение молекул С₆₀, имеющих фору усеченного икосаэдра.

Внешне фуллерены представляют собой мелкокристаллические порошки черного цвета, без запаха. В воде, этаноле, ацетоне и других полярных растворителях они практически нерастворимы, зато в бензоле, толуоле, фенилхлориде растворяются с образованием окрашенных в красно-фиолетовый цвет растворов.

Энтальпия образования С₆₀ составляет приблизительно 42,5 кДж/моль, а C₇₀ – 40,3 кДж/моль. Это говорит о том, что они менее стабильны, чем графит (0 кДж/моль) и алмаз (1,67 кДж/моль), причем с увеличением размеров сферы (то есть по мере увеличения числа атомов углерода) энтальпия образования стремится к энтальпии графита, так как сфера все более напоминает плоскость.

Твердый C₆₀ имеет гранецентрированную кубическую решетку, при комнатной температуре его плотность составляет 1,68 г/см³. Ввиду слабого межмолекулярного взаимодействия молекулы свободно вращаются. Ниже 0 °С происходит превращение в кубическую решетку. Фуллерен-70, свободное вращение которого слегка затруднено по причине асимметричности молекулы, испытывает фазовый переход при более низкой температуре.

Из насыщенных растворов в ароматических растворителях фуллерены при низких температурах выпадают в виде кристаллосольватов вида C₆₀X_n, где в качестве X выступают бензол, толуол, стирол, ферроцен и другие молекулы.

Поскольку энтальпия растворения фуллерена в большинстве растворителей положительна, при повышении температуры растворимость, как правило, уменьшается.

Возможные области применения фуллеренов и их производных:

– электронные и оптические устройства, основанные на применении фуллеренов или полимерных материалов на их основе,

– фотоматериалы и материалы для преобразования электрической энергии в световую,

– катализаторы,

– лекарственные средства.

Некоторые области применения пока остаются гипотетическими, ввиду недостаточности современного уровня знаний:

– получение алмазов (в том числе тонких пленок);

– источники тока;

– молекулярные сита и устройства для аккумулирования газов;

– материалы для нелинейной оптики (лазеры);

– преобразователи солнечной энергии;

– сверхпроводники.

Графен

Выпускники МФТИ А. Гейм и К. Новоселов, работающие в Манчестере, в 2010 г. получили Нобелевскую премию «За новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена».

Графен является двухмерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную кристаллическую решётку (рисунок 15):

Рисунок 15 – Структура графена

Графен обладает высокой механической прочностью, теплопроводностью, максимальной подвижностью электронов среди известных материалов.

Поиск по сайту: