Фулерены: углеродные молекулы-фуллерены¶

Фулерены — класс углеродных молекул, состоящих из замкнутой или полузамкнутой углеродной оболочки, в которой атомы углерода соединены в пяти- и шестигранные кольца. Формула оболочки — Cₙ, где n ≥ 20, кратно двум. Фулерены относятся к аллотропным формам углерода и являются третьей (после алмаза и графита) устойчивой молекулярной формой. Название происходит от геодезических куполов архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера.

¶История открытия

В 1985 году в экспериментах по испарению графита лазером в лаборатории Райса (США) Ричард Смолли, Роберт Кёрл и Гарольд Кроуто обнаружили устойчивый ион C₆₀. Молекула была названа бакминстерфуллереном в честь геодезических куполов Фуллера. В 1990 году Вольфганг Кратшмер и Дональд Хаффман синтезировали C₆₀ в макроскопических количествах, что сделало возможным детальное изучение свойств. В 1996 году Кёрл, Кроуто и Смолли получили Нобелевскую премию по химии.

¶Структура

Наиболее изучены два симметричных изомера: C₆₀ (икосаэдрическая симметрия, 60 атомов углерода, 12 пяти- и 20 шестигранных колец) и C₇₀ (эллипсоидальная структура). Известны также C₇₆, C₇₈, C₈₂, C₈₄ и более тяжёлые фулерены, а также открытые (незамкнутые) фулереновые нанотрубки. Все атомы углерода в C₆₀ находятся в гибридизации sp², а молекула имеет форму футбольного мяча.

¶Свойства

Фулерены — твёрдые кристаллические вещества. C₆₀ сублимируется при температуре около 400 °C, растворим в толуоле, бензоле и CS₂. Молекулы обладают высокой симметрией и химической инертностью, но способны к присоединению атомов и радикалов. C₆₀ — хороший акцептор электронов, что определяет его электрохимические свойства.

¶Получение

Основной метод — электродуговой разряд между графитовыми электродами в атмосфере гелия с последующей экстракцией толуолом и хроматографической очисткой. Альтернативы — испарение графита лазером, синтез из бензола и других прекурсоров.

¶Применение

Фулерены исследуются как полупроводниковые и сверхпроводящие материалы (допированные фулерены K₃C₆₀ обладают сверхпроводимостью при 18 K), в органической электронике, фотонике, катализе, наномедицине (радикаловые антиоксиданты) и как предшественники углеродных нанотрубок.

¶Интересные факты

C₆₀ встречается в природе: обнаружен в саже свечей, в минералах, в космической пыли. В 2010-х годах фулерены были обнаружены в межзвёздной среде.

¶Источники

• Кретцер Ф., Куртц Д. «Фулерены: химия и физика»
• Смолли Р. «Фулерены» (Нобелевская лекция, 1996)
• Кратшмер В., Хаффман Д. «Синтез C₆₀» (Nature, 1990)
• Энциклопедия «Углеродные наноструктуры»