Фуллерены

Содержание

 

Введение                                                                                                   3

Фуллерен С60 и его аналоги                                                                     4

Список использованных источников                                                     9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Происхождение термина "фуллерен" связано с именем американского архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, конструировавшего полусферические архитектурные конструкции, состоящие в виде шестиугольников и пятиугольников.

Фуллерены представляют собой устойчивые многоатомные кластеры углерода с числом атомов от нескольких десятков и выше. Число атомов углерода в таком кластере не произвольно, а подчиняется определенной закономерности. Форма фуллеренов – сфероид, грани которого образуют пяти- и шестиугольники. Согласно геометрическому расчету, проведенному еще Эйлером, для построения такого многогранника необходимо, чтобы число пятиугольных граней было равно двенадцати, число же шестиугольных граней может быть произвольно. Такому условию отвечают кластеры с числом атомов N = 32, 44, 50, 58, 60, 70, 72, 78, 80, 82, 84 и т.д.

Наибольший интерес экспериментальных исследований представляет фуллерен С60 ввиду его наибольшей стабильности и высокой симметрии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Феллерен С60 и его аналоги

 

Наивысшей симметрией и, как следствие, наибольшей стабильностью обладает фуллерен С60, который состоит из 60 атомов углерода и напоминает по форме футбольный мяч, поэтому его иногда называют футболеном (рисунок 1).

    а  б

 

Рисунок 1. Структура фуллерена С60 (а) и

расположение атомов на его поверхности (б)

 

Фуллерен С60 имеет вид правильного усеченного икосаэдра, образованного 20 правильными шестиугольниками и 12 правильными пятиугольниками, в вершинах которых находятся атомы углерода, располагаются на сферической поверхности. Каждый шестиугольник грани-чит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник, в свою очередь, граничит с пятью шестиугольниками рисунок 2. Таким образом, каждый атом углерода находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника. Диаметр фуллерена С60 равен 0,71 нм. Высокосимметричная конфигурация фуллерена С60 имеет шесть осей симметрии 5-го порядка, проходящих через двенадцать противоположно ле-жащих попарно пятиугольников, десять осей симметрии 3-го порядка, про-ходящих через двадцать противоположно лежащих шестиугольников, 30 осей симметрии 2-го порядка, проходящие через противоположно лежащие шестьдесят ребер шестиугольник-шестиугольник, и 30 осей симметрии 2-го порядка, проходящие через все противоположные шестьдесят вершин фигуры. Кроме того, эта конфигурация имеет несколько типов плоскостей симметрии 5-го, 3-го и 2-го порядков.

 

Рисунок 2. Развертка поверхности

фуллерена С60 вокруг шестиугольника (а) и пятиугольника (б)

 

Кроме того, сферическая молекула фуллерена С60 сильно напряжена, так как обычно плоские ароматические шестичленные (бензольные) кольца должны быть изогнуты для построения сферы (энергия напряжения dHf = 10,16 ккал/моль на каждый атом углерода), что служит причиной меньшей термодинамической стабильности фуллерена по сравнению с графитом (dHf = = 0 ккал/моль). Поэтому движущей силой реакций присоединения к фуллерену С60 является уменьшение напряжения в фуллереновом каркасе.

Состоящая только из атомов углерода молекула фуллерена С60 содержит 30 слабосопряженных двойных связей и ведет себя как электроно-дефицитный сферический полиолифеин - супералкен. Именно этим в отличие, например, от графита обусловлена достаточно высокая реакционная способность фуллерена С60.

Структура других фуллеренов получается путем добавления (для высших) либо исключения (для низших) шестиугольников в структуру С60. Например, фуллерен С70 получается из С60 путем добавления пояса из десяти шестиугольников. По форме фуллерен С70, в отличие от фуллерена С60, напоминает не футбольный, а регбийный мяч (рисунок 3). Высота фуллерена С70 (расстояние между пятиугольными гранями, расположенными в двух взаимно противоположных полярных областях) составляет 0,78 нм.

 

 

 

 

 

 

 

                                           

 

Рисунок 3. Структура фуллерена С70 (а)

и расположение атомов на его поверхности (б)

 

Структура самого низшего фуллерена С20 получается путем исключения всех двадцати шестиугольников из структуры С60. Фуллерен С20 представляет собой правильный додекаэдр, состоящий из двенадцати пятиугольников. Известны различные виды фуллеренов, в том числе содержащие до 100 атомов углерода (рисунок 4). Однако среди них наиболее стабильны С60 и С70.

 

 

 

Рисунок 4. Разновидности фуллеренов

 

Из сравнения структуры графита и структуры фуллеренов можно заметить, что в обоих случаях они состоят из одних и те же структурных элементов – шестизвенных колец углерода. Эта общая для обоих веществ особенность определяет подход к разработке методов получения фуллеренов. Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. При умеренном нагревании графита разрывается связь между отдельными слоями графита, но не происходит разложения испаряемого материала на отдельные атомы. При этом испаряемый слой состоит из отдельных фрагментов, представляющих собой комбинацию шестиугольников. Из этих фрагментов и происходит построение молекулы С60 и других фуллеренов. Для разложения графита при получении фуллеренов используются резистивный и высокочастотный нагрев графитового электрода, сжигание углеводородов, лазерное облучение поверхности графита, испарение графита сфокусированным солнечным лучом. Эти процессы проводятся в буферном газе, в качестве которого обычно используется гелий. Чаще всего для получения фуллеренов применятся дуговой разряд с графитовыми электродами в гелиевой атмосфере. Основная роль гелия связана с охлаждением фрагментов, которые имеют высокую степень колебательного возбуждения, что препятствует их объединению в стабильные структуры.

Фуллерены С60 характеризуются высокой ударной прочностью. Так, если разогнать положительный ион С60+ до скорости 20000 км/час, что соответствует энергии ~80 эВ, то при соударении с твердой инертной поверхностью, исключающей химическое взаимодействие, например, с подложкой кремния или углерода, он практически не подвергается фрагментации, т.е. не разрушается, «отскакивая» от поверхности как резиновый мяч. Высокая прочность фуллеренов обусловлена высокой прочностью химических связей между атомами углерода – С-С связей: даже для простейшей фрагментации фуллерена С60 – отщепления от него группы С2 необходима довольно значительная энергия ~20 эВ. Существенное разрушение фуллерена должно сопровождаться разрывом большего числа С-С связей, что, соответственно, требует большей энергии. Важно отметить, что при соударении фуллерена с твердой поверхностью, энергия деформации связей не сосредотачивается в локальной области, включающей весьма ограниченное число связей, а распространяется по всему объему кластера. Благодаря этому фуллерены С60 способны аккумулировать большое количество энергии, сохраняя при этом целостность, т.е. не распадаясь на фрагменты. Фуллерены С60 обладают высокой термической стабильностью. Они без разложения сублимируются при 700К, а также сохраняют стабиль-ность в инертной атмосфере до 1700К, однако в присутствии кислорода окисляются уже при Т = 500К. Кроме того, фуллерены С60 чувствительны к воздействию ультрафиолетового излучения, поэтому их образцы обычно хранят в темноте под вакуумом или в среде азота. В отличие от графита и алмаза фуллерены обладают способностью растворяться в различных органических растворителях (бензол, гексан, декан, ксилон, толуол и др.). Температурная зависимость растворимости фуллеренов носит немонотонный характер. Растворы фуллеренов имеют нелинейные оптические свойства: их прозрачность резко уменьшается при превышении некоторого критического значения интенсивности оптического излучения.

Большие перспективы практического применения фуллеренов связаны с исследованием новых свойств, которые они приобретают при взаимодействии с другими веществами, образуя различные производные. Основными видами производных фуллеренов являются:

∙ заполненные (эндоэдральные) фуллерены, образующиеся в результате внедрения атомов других веществ в полость фуллеренов;

∙ фуллереновые аддукты (экзоэдральные фуллерены), образующиеся в результате присоединения к фуллеренам атомов других веществ;

∙ гетерофуллерены (легированные фуллерены), образующиеся в результате замещения углеродных атомов фуллеренов атомами других веществ.

В 1992 году природные аналоги фуллеренов были обнаружены российскими учеными в Карелии. Здесь вблизи Онежского озера залегают уникальные минеральные породы, именуемые шунгитами, возраст которых составляет около двух миллиардов лет. Шунгиты содержат до 90% чистого углерода, в том числе примерно одну сотую долю процента в виде фуллерена. Возможно, происхождение этого минерала объясняется падением большого углеродного метеорита.

Важно не только наличие в шунгите фуллеренов, но и "начинка" фуллереновых молекул, определяющая их биологические свойства. Ведь в его состав входит фантастически разнообразная смесь сложных органических веществ, составляющей 97-99 % водорастворимой органики шунгита, которая выходит в раствор вместе с фуллеренами и определяет их свойства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. «Фуллерены. Их физические  и электрические свойства», СПб, 1999 год.

2. ст. В.Ф. Мастеров «Физические  свойства фуллеренов», Соровский  образовательный журнал №1, 1997 год.

3. Соколов В. И., Станкевич И. В. Фуллерены-новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства//Успехи химии, т.62 (5), 1993.

4. Елецкий А.В. .Углеродные  нанотрубки//УФН, т.167(9), 1997.