Фуллерены: молекулы углерода¶

Фуллерен — это класс синтетических молекул углерода, в которых атомы образуют замкнутую полую структуру, напоминающую по форме футбольный мяч (так называемый «треугольный» или «гекзагональный» паттерн из пяти- и шестиугольных колец). Формула наиболее известного представителя — C60, молекула из 60 атомов углерода, названная в честь архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера. Фуллерены относятся к аллотропным формам углерода и представляют собой третий, после алмаза и графита, принципиально новый класс углеродных материалов.

¶Открытие

Фуллерены были открыты в 1985 году командой учёных под руководством Ричарда Смолли и Роберта Кёрла из Райсовского университета (США), при участии Гарольда Кроутона и Джеймса Хитера. В ходе экспериментов по испарению графита лазерным излучением масс-спектрометрический анализ обнаружил неожиданно стабильный кластер из 60 атомов углерода. За открытие фуллеренов в 1996 году Смолли, Кёрл и Кроутон были удостоены Нобелевской премии по химии.

В 1990 году Вольфганг Кратшмер с коллегами разработал метод электрического дугового испарения графита, позволивший синтезировать фуллерены в макроскопических количествах. Это открыло путь к их систематическому изучению и практическому применению.

¶Строение

Наиболее распространённым фуллереном является C60 — «бакминстерфуллерен», или «бакиболл». Молекула состоит из 60 атомов углерода, образующих 12 пятиугольных и 20 шестиугольных колец, расположенных по вершинам усечённого икосаэдра. Диаметр молекулы составляет около 0,7 нм.

Помимо C60, известны фуллерены C70, C76, C84 и других размеров, а также вытянутые молекулы — фуллереновые трубы (углеродные нанотрубки), открытые с одного или обоих концов. Все фуллерены химически инертны, но способны к многочисленным реакциям присоединения благодаря наличию двойных связей.

¶Свойства

Фуллерены обладают рядом уникальных свойств:

• Высокая стабильность — молекулы устойчивы к нагреванию и химическим воздействиям;
• Полупроводниковые свойства — C60 в твёрдом состоянии ведёт себя как полупроводник с шириной запрещённой зоны около 1,6 эВ;
• Сверхпроводимость — при легировании щелочными металлами (например, калием) фуллереновые кристаллы K3C60 становятся сверхпроводящими при температурах до 18 К;
• Кислород-синглетное поглощение — C60 способен генерировать синглетный кислород, что используется в фотодинамической терапии.

¶Синтез

Основной промышленный метод получения фуллеренов — дуговое испарение графита в инертной атмосфере (гелий или аргон). Образующаяся сажа содержит до 10–15 % фуллеренов, которые извлекаются растворителями (толуол, о-ксилол) и очищаются хроматографией.

¶Применение

Фуллерены находят применение в различных областях:

• Наноэлектроника — как элементы органических полупроводников и солнечных элементов;
• Медицина — в качестве антиоксидантов, носителей лекарственных препаратов и в фотодинамической терапии;
• Катализ — фуллереновые соединения используются как катализаторы в химических реакциях;
• Материаловедение — добавки к полимерам для повышения прочности и других свойств.

¶Интересные факты

• Фуллерен C60 был обнаружен в природе — его следы найдены в саже от сгорания свечей и в некоторых метеоритах;
• В 2010 году был открыт фуллерен C60 в межзвёздной среде, что подтвердило гипотезу о его космическом происхождении;
• Название «фуллерен» закрепилось в честь Ричарда Бакминстера Фуллера, создателя геодезических куполов, структура которых напоминает молекулу C60.

Источники:

• Кроутон Г., Кёрл Р., Смолли Р. и др. «C60: Buckminsterfullerene» // Nature, 1985.
• Кратшмер В., Ламп Л. Д., Фостеропулос К. и др. «Solid C60: a new form of carbon» // Nature, 1990.
• Кретцшмар М. «Фуллерены» // Успехи химии, 1997.
• Хироу А. «Фуллерены: синтез, свойства, применение» // М.: Мир, 1999.