Определение понятия фуллерен

Среди кластеров с числом атомов свыше 30 особенно выделялась спектральная линия, соответствующая частицам, состоящим из 60 атомов углерода, т. е. с массой 720 а.е.м. Результаты экспериментальных исследований и теоретического выяснения природы этих частиц были удостоены Нобелевской премии в области химии за 1996 г. Оказалось, что это — молекулы С60, структура которых показана на рис. 1.3. слева.

Рис. 1.3 Структура молекулы С₆₀ и С₇₀

В ней все атомы углерода в состоянии sp²-гибридизации расположены на поверхности молекулы, состоящей из 20 шестиугольных и 12 пятиугольных граней и похожей по форме на футбольный мяч. Каждый атом имеет трех ближайших соседей, с которыми соединен у-связями. Молекула, кроме того, имеет еще и связывающую молекулярную р-орбиталь, окутывающую ее каркас извне и изнутри и дополнительно ее укрепляющую. В честь архитектора Р. Б. Фуллера, строившего изощренные оригинальные своды в форме икосаэдров, по структуре очень похожие на молекулу C₆₀, эта молекула была названа фуллереном. Диаметр молекулы C₆₀ составляет приблизительно 0,9 нм.

В масс-спектре на рис. 1.2. выделяется также пик, соответствующий кластерам из 70 атомов углерода. Позднее было установлено, что это тоже молекулы углерода, похожие на молекулы C₆₀. Имея не 20, а 25 шестиугольников на поверхности, молекулы C₇₀ несколько удлинены по сравнению с молекулами C₆₀ и напоминают по форме мяч для регби. Результат квантово-механических компьютерных расчетов молекулы C₇₀ показан на рис. 1.3. справа. Так выглядит извне электронная «шуба» этой молекулы. Молекула C₇₀ тоже названа фуллереном. Позднее было выявлено существование и многих других «фуллеренов» — замкнутых, пустых внутри, объемных молекул из атомов углерода, состоящих из меньшего (например, из 20 — в наименьшем возможном фуллерене) или из большего количества атомов, например, из 240, 540 и даже из 960 атомов.

Фуллерен C₆₀ хорошо растворим в бензоле. При медленном испарении растворителя удается вырастить молекулярные монокристаллы этого фуллерена. Они имеют гранецентрированную пространственную кристаллическую решетку с расстояниями между центрами соседних молекул приблизительно в 1 нм. Связь молекул в этом кристалле, как и в других молекулярных кристаллах, обеспечивается силами Ван дер Ваальса. Кристаллы эти названы «фуллеритом» .

Поскольку внутри молекул фуллерена имеется довольно большая (по атомным меркам) полость, то в эту полость, как оказалось, могут быть «капсулированы» другие атомы или ионы. На рис. 1.4. показаны два примера молекул фуллерена с капсулированными внутри них атомами азота и лантана.

Рис. 1.4 Капсулированные атомы в молекулы фуллерена

Такие молекулы получают, если в струю инертного газа, помеченную на рис. 1.1. цифрой 4, ввести атомы соответствующего химического элемента. Тогда при образовании молекул фуллерена внутрь части из них захватывается один или несколько соответствующих атомов. Для такого рода неизвестных ранее химических соединений пришлось ввести специальное химическое обозначение. Например, химическая формула La@C₈₂ означает атом лантана, капсулированный внутри молекулы фуллерена C₈₂.

Капсулированные атомы существенно изменяют свойства соответствующих молекул фуллерена — их молекулярную массу, магнитный момент, электрический заряд и т. д. Кристаллы фуллерена с капсулированными ионами щелочных металлов оказались, например, сверхпроводящими. Кристалл K₃@C₆₀ (три иона калия, капсулированных в молекуле фуллерена C₆₀), переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 18 К, а кристалл C_S2Rb@C₆₀— при температуре 33 К. (Прим.: атомы щелочных металлов при капсулировании отдают молекуле фуллерена свой внешний электрон и заметно уменьшаются в размере, благодаря чему в полости фуллерена вмещается не один атом, а 3 иона. Полученные от щелочного металла электроны переходят на не занятую молекулярную р-орбиталь и «размазываются» по всей молекуле).

Прочная, устойчивая, изысканная молекула фуллерена C₆₀, как и бензольное кольцо, может быть конструктивной основой и «строительным блоком» многих других, неведомых ранее, молекул.

Целенаправленную модификацию молекул фуллеренов путем присоединения к ним молекулярных групп со специфическими свойствами называют «специализацией» фуллеренов.

Среди углеродных кластеров, полученных в опытах, были выявлены также похожие на фуллерены образования, заполненные атомами углерода не только на поверхности, но и внутри. Оказалось, что это меньшие по размерам фуллерены внутри более крупных. Такие образования называют «углеродными луковицами» .