Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие к классу аллотропных форм углерода и представляющие из себя выпуклые замкнутые полиэдры, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Своим заглавием эти соединения должны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Сначало данный класс соединений был ограничен только структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Для существования такового замкнутого полиэдра, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно аксиоме Эйлера для полиэдров, утверждающей справедливость равенства ( n — e + f = 2, где n, e и f, соответственно количество вершин, ребер и граней).

Рис. 8.3 Разновидности фуллеренов: С60, C540

Структурные характеристики фуллеренов

В молекулах фуллеренов атомы углерода размещены в верхушках правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы либо эллипсоида. Самый симметричный и более много изученный представитель семейства фуллеренов — фуллерен C60, в каком углеродные атомы образуют усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Потому что каждый атом углерода фуллерена С60 принадлежит сразу двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С60 эквивалентны, что подтверждается диапазоном ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа 13С — он содержит всего одну линию.

Последующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в итоге чего молекула C70 оказывается вытянутой и припоминает собственной формой мяч для игры в регби.

Так именуемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в существенно наименьших количествах и нередко имеют достаточно непростой изомерный состав. Посреди более изученных высших фуллеренов можно выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.

Синтез фуллеренов

1-ые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Практически, это были следы вещества. Последующий принципиальный шаг был изготовлен в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими способ получения граммовых количеств фуллеренов оковём сжигания графитовых электродов в электронной дуге в атмосфере гелия при низких давлениях. В процессе эрозии анода на стенах камеры оседала сажа, содержащая некое количество фуллеренов. Достаточно скоро удалось подобрать рациональные характеристики испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, поперечник электродов), при которых достигается больший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высшую цена фуллеренов.

На первых порах все пробы экспериментаторов отыскать более дешёвые и производительные методы получения граммовых количеств фуллеренов (сжигание углеводородов в пламени, хим синтез и др.) к успеху не привели и способ «дуги» длительное время оставался более продуктивным (производительность около 1 г/час). Потом, фирме Мицубиси удалось сделать промышленное создание фуллеренов способом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород и потому дуговой способ как и раньше остаётся единственным подходящим способом получения незапятнанных фуллеренов.

Механизм образования фуллеренов в дуге до сего времени остаётся неясным, так как процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что очень усложняет их теоретическое рассмотрение. Неоспоримо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода.

Сравнимо резвое повышение полного количества установок для получения фуллеренов и неизменная работа по улучшению способов их чистки привели к существенному понижению цены С60 за последние 17 лет — с 10000$ до 10-15$ за гр, что подвело к рубежу их реального промышленного использования.

Физические характеристики и прикладное значение фуллеренов

Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, именуются фуллеритами. Более изученная система такового рода — кристалл С60, наименее — система кристаллического С70. Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения. Молекулы удерживаются в кристалле силами Ван-дер-Ваальса, определяя в значимой мере макроскопические характеристики твёрдого C60.

При комнатных температурах кристалл С60 имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку с неизменной 1.415 нм, но при снижении температуры происходит фазовый переход первого рода (Ткр≈260 К) и кристалл С60 меняет свою структуру на ординарную кубическую (неизменная решётки 1.411 нм).

Нелинейные оптические характеристики фуллеренов

Фуллерены владеют нелинейными оптическими качествами. Но из-за высочайшей симметрии молекулы С60 генерация 2-ой гармоники вероятна только при внесении асимметрии в систему, к примеру, наружным электронным полем. С практической точки зрения презентабельно высочайшее быстродействие (~250 пс), определяющее гашение генерации 2-ой гармоники. Не считая того фуллерены С60 способны генерировать и третью гармонику.

Другой возможной областью использования фуллеренов и, сначала, С60 являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность внедрения этого материала для длины волны 532 нм. Маленькое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности. Но, по ряду обстоятельств фуллеренам тяжело соперничать тут с классическими материалами.

Фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники

Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эВ и его характеристики почти во всем подобны свойствам других полупроводников. Потому ряд исследовательских работ был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для обычных приложений в электронике: диодик, транзистор, фотоэлемент и т. п. Тут их преимуществом по сопоставлению с обычным кремнием является маленькое время фотоотклика (единицы нс). Но значимым недочетом оказалось воздействие кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, как следует, появилась необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, а именно, усилительного элемента.

Посреди других увлекательных приложений необходимо подчеркнуть батареи и электронные батареи, в каких так либо по другому употребляются добавки фуллеренов. Основой этих аккумов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть применены в качестве добавок для получения искусственных алмазов способом высочайшего давления. При всем этом выход алмазов возрастает на ≈30 %. Фуллерены могут быть также применены в фармации для сотворения новых фармацевтических средств. Не считая того, фуллерены отыскали применение в качестве добавок в огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, появляется довольно плотный пенококсовый слой, который в пару раз наращивает время нагревания до критичной температуры защищаемых конструкций. Так же фуллерены и их разные хим производные употребляются в купе с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для производства солнечных частей.