Фуллерены

Структура и особенности фуллеренов

Фуллерены представляют собой особый класс аллотропных форм углерода, состоящий из замкнутых полых молекул, в которых атомы углерода образуют сферическую, эллипсоидную или трубчатую конфигурацию. Наиболее известной и устойчивой формой является молекула C₆₀, имеющая структуру, аналогичную усечённому икосаэдру: 60 атомов углерода расположены в вершинах многогранника, образуя 12 пятиугольников и 20 шестиугольников.

Каждый атом углерода в фуллерене связан с тремя соседними атомами посредством σ-связей, а π-электроны делокализованы по всей поверхности, что придаёт молекуле высокую стабильность. Структурно фуллерены можно рассматривать как фрагменты графенового листа, свернутого в замкнутую оболочку.

Методы получения фуллеренов

  1. Испарение графита в электрической дуге При пропускании тока через графитовые электроды в атмосфере инертного газа (обычно гелия) происходит интенсивное испарение углерода. Конденсация паров на холодной поверхности приводит к образованию сажи, содержащей фуллерены.

  2. Лазерная абляция графита Пучок мощного лазера испаряет графитовую мишень в присутствии инертного газа. Образующиеся углеродные кластеры самоорганизуются в фуллереновые структуры.

  3. Пиролиз углеродсодержащих соединений Термическое разложение органических веществ в инертной среде при высоких температурах может приводить к образованию фуллеренов, хотя выход ниже, чем при дуговом методе.

После синтеза фуллерены извлекают из сажи с помощью органических растворителей (толуол, бензол), а затем разделяют методами хроматографии.

Электронная структура и свойства

Фуллерены являются полупроводниками с запрещённой зоной порядка 1,5–2,3 эВ (для C₆₀ — около 1,9 эВ). Благодаря высокой симметрии (группа I_h для C₆₀) энергетические уровни сильно вырождены.

  • π-электронная система обеспечивает широкое поглощение в ультрафиолетовой и видимой областях спектра.
  • Подвижность электронов внутри молекулы высокая, что делает фуллерены перспективными в молекулярной электронике.
  • Приём электронов: C₆₀ способен присоединять до шести электронов, формируя стабильные анионы (C₆₀⁶⁻), что важно для свойств как акцептора в органических солнечных элементах.

Механические свойства

Несмотря на наномасштабные размеры, фуллерены обладают значительной прочностью благодаря прочным sp²-связям. Теоретические расчёты показывают, что модуль Юнга C₆₀ близок к значениям для графита. Сфера молекулы способна выдерживать значительное внешнее давление до момента коллапса.

Химические реакции и функционализация

Поверхность фуллерена активно вступает в реакции присоединения, гидрирования, галогенирования, а также в реакции с образованием комплексов с металлами.

  • Гидрирование: превращение C₆₀ в C₆₀H₃₆ с изменением электронной структуры.
  • Фторирование и хлорирование: образование соединений типа C₆₀F₄₈, обладающих диэлектрическими свойствами.
  • Металлофуллерены: включение атомов металлов внутрь сферы (например, La@C₈₂) приводит к существенным изменениям в магнитных и электронных характеристиках.

Функционализация фуллеренов делает их растворимыми в различных средах и расширяет области применения.

Фазовые состояния и конденсированное состояние фуллеренов

При кристаллизации фуллерены образуют молекулярные кристаллы, в которых взаимодействие между молекулами обусловлено в основном ван-дер-ваальсовыми силами.

  • Структура C₆₀ при комнатной температуре — кубическая (О_h симметрия), молекулы вращаются практически свободно.
  • Ниже 260 К происходит ориентационный фазовый переход, и вращение молекул замедляется, приводя к орторомбической или моноклинной симметрии.
  • Примесное введение щелочных металлов (например, в K₃C₆₀) приводит к появлению металлической проводимости и даже сверхпроводимости при температурах порядка 18–40 К.

Оптические свойства

  • Поглощение: интенсивные полосы в ультрафиолетовой области (200–400 нм) и характерные полосы в ближнем ИК-диапазоне, связанные с колебательными модами пяти- и шестиугольных колец.
  • Нелинейная оптика: C₆₀ способен поглощать интенсивное лазерное излучение, что делает его кандидатом для оптических ограничителей.

Применение фуллеренов

  1. Молекулярная электроника — как элементы наноразмерных транзисторов, выпрямителей, квантовых точек.
  2. Фотовольтаика — в качестве акцепторов электронов в органических солнечных батареях.
  3. Медицина — разработка фуллеренсодержащих препаратов с антиоксидантными и фотосенсибилизирующими свойствами.
  4. Сверхпроводники — соединения A₃C₆₀ (A — щелочной металл) демонстрируют высокие для органики температуры перехода.
  5. Материалы с высокой твёрдостью — композиты с фуллеренами обладают повышенной износостойкостью.
Оглавление