Фуллерены — это класс аллотропных форм углерода, состоящих из замкнутых полигональных структур, в основе которых лежат пяти- и шестигранники, напоминающие футбольный мяч (например, C60) или более сложные многогранники.
С60 (бакминстерфуллерен) — наиболее изученный, состоит из 60 атомов углерода, формирующих сферическую оболочку.
Более крупные фуллерены (C70, C76, C84 и др.) имеют вытянутые или более сложные формы.
Фуллерены могут образовывать кристаллы с различной упаковкой (фазовая трансформация в зависимости от температуры).
Фуллерены обладают уникальной электронной структурой:
Пограничные молекулярные орбитали (HOMO и LUMO) у C60 достаточно близки по энергии, что позволяет легко добавлять или отнимать электроны, образуя ионы.
Чистый C60 является полупроводником с широкой запрещенной зоной (~1.5–2.3 эВ).
При легировании щелочными металлами (например, K3C60) фуллерен становится сверхпроводником с температурами критического перехода до 40 К.
Чистые фуллерены не проявляют собственных магнитных свойств — диамагнитны.
При введении неспаренных электронов (через донорное или акцепторное легирование) могут возникать paramагнитные состояния.
Спиновые состояния могут локализоваться на молекулах, что приводит к появлению ферромагнитных или антиферромагнитных взаимодействий в твердом теле.
Фуллерены обладают высокой прочностью и устойчивостью к деформации благодаря своей геометрической структуре.
Они эффективно поглощают свет в УФ и видимой области, что используется в оптических и фотонных устройствах.
Фуллерены могут использоваться в качестве фотоактивных материалов в органических солнечных элементах.
Фуллерены устойчивы при умеренных температурах, но при нагревании разлагаются с образованием графита.
Обладают высокой химической активностью на поверхности, что позволяет модифицировать их функциональными группами для создания новых материалов.
Использование фуллеренов в наноэлектронике, фотонике и биомедицине.
Создание композитов с уникальными магнитными, оптическими и механическими свойствами.
Изучение взаимодействия фуллеренов с металлами и другими наноматериалами.