Физическая энциклопедия
- ФУЛЛЕРЕНЫ
- аллотропные молекулярные формы углерода, в к-рых атомы расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида. Такие молекулы могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 и т. д. атомов С.
Ф. были открыты в 1985 и названы по имени амер. архитектора Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), к-рый применял при конструировании куполов зданий структуры, подобные структуре Ф. (молекулу С 60 часто наз. бакминстерфуллереном, в амер. литературе иногда вместо "Ф." применяют термин bucky-ball - "бакибол"; Ф. в конденсир. состоянии наз. фуллеритами; легированные металлич. или др. присадками твёрдые Ф. наз. фул-леридами).
Первой была зарегистрирована как кластер с магическим числом атомов молекула С 60. Она обладает наиб. высокой среди Ф. симметрией и, следовательно, наиб. стабильностью и имеет структуру правильного усечённого икосаэдра (напоминающую покрышку футбольного мяча). Атомы С располагаются в ней на сферич. поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников; каждый шестиугольник имеет общие 3 стороны с др. шестиугольниками и 3 стороны, общие с пятиугольниками, т. е. все пятиугольники граничат только с шестиугольниками (рис.). Каждый атом С в молекуле С 60 расположен в вершинах углов двух шестиугольников и одного пятиугольника, все атомы в ней принципиально неотличимы друг от друга. Повышенной стабильностью обладают также молекулы
имеющие формы замкнутых сфероидов.В 1990 была создана относительно простая эфф. технология получения Ф. в макроскопич. кол-вах. В процессе дугового разряда с графитовыми электродами происходит термич. распыление графита, к-рый затем конденсируется. Конденсат, содержащий, кроме сажи,
Ф., помещают в органич. растворитель (бензол, толуол, гексан и др.), где Ф., в отличие от сажи, довольно хорошо растворяются. Затем С 60 и др. Ф. выделяют из раствора методами перегонки, жидкостной хроматографии или испарением. Производительность синтеза С 60 при такой технологии составляет ~1 г/ч; для С 70 oна на порядок ниже, однако получаемого кол-ва достаточно для исследований не только тонких плёнок, но и поликристаллов, состоящих из молекул данного сорта. Ф. с более высоким числом С получают в меньших кол-вах. Наряду с замкнутыми сферич. и сфероидальными структурами при термич. распылении графита образуются протяжённые структуры - тубулены, построенные также на основе шестиугольных углеродных колец, характерных для графита. Они представляют собой спирально свёрнутые слои графита, длина таких трубок достигает неск. мк, а диаметр-неск. нм. Один из их торцов закруглён и составлен шести- и пятиугольными кольцами С, др. торец обычно прикрепляется к стенке эксперим. камеры. Ф. образуются также в пламенах разных углеводородов и при пиролизе смол. Имеются сообщения о присутствии Ф. в нек-рых природных минералах (напр., в шунгите).
Молекулы Ф. сохраняют форму при нагреве до темп-ры ок. 2000 К. Темп-pa плавления С 60 ок. 1800 К. В твёрдом состоянии С 60 представляет собой кристалл с плотноупа-кованной гексагональной или гранецентрированной кубич. структурой (в зависимости от условий получения кристалла). При темп-ре ниже 256 К происходит фазовый переход с образованием кубич. кристаллич. структуры. Плотность кристаллич. С 60 при нормальных условиях 1,69 кг/дм 3, расстояния между центрами соседних молекул при этом составляют 1,00 нм. Кристаллич. С 60 - полупроводник с шириной запрещённой зоны 1,5-1,9 эВ.
В 1991 были открыты сверхпроводящие свойства поли-кристаллич. С 60, легированного атомами щелочных металлов. В табл. приведены параметры сверхпроводящих соединений С 60, полученных при исследовании поликри-сталлич. образцов. Результаты исследований показали, что механизм сверхпроводимости в таких структурах основан на образовании куперовских пар в результате взаимодействия электронов с внутримолекулярными колебаниями в молекуле С 60.
Потенц. возможности использования Ф. и фуллеренсо-держащих соединений основаны на их уникальных физ.-хим. свойствах. Фторированные Ф. могут стать основой для идеального твёрдого смазочного материала, пригодного для работы при сверхнизких темп-pax. Перспективно применение фуллереновых покрытий в качестве катализаторов при напылении искусств. алмазных покрытий из углеродной плазмы газового разряда. Использование в этой технологии многослойных покрытий С 70 привело к увеличению скорости роста алмазной плёнки на ~ 10 порядков.
Критическая температура Т с перехода в сверхпрово дящее состояние и параметр кристаллической решётки а0 для поликристаллических образцов соединений С60 с атомами щелочных металлов
Уникальные нелинейныe оптич. свойства Ф. и их растворов открывают возможности их применения в качестве нелинейных оптич. элементов (удвоителей и утроителей частоты) в видимой области спектра, а также оптических затворов (пороговая интенсивность лазерного излучения, соответствующая снижению прозрачности раствора С 60 или С 70 в бензоле или толуоле на 2-3 порядка, составляет ~107 Вт/см 2). Оптич. затворы на основе Ф. могут найти применение в оптич. устройствах обработки и передачи информации для защиты их датчиков и др. уязвимых элементов от интенсивного лазерного излучения.
Твёрдые Ф. с полупроводниковыми свойствами обладают фотопроводимостью в видимом диапазоне и могут использоваться в датчиках оптич. излучения слабой интенсивности и в преобразователях оптич. сигналов. Обсуждается возможность создания сверхпроводящих устройств на основе Ф., особенно Ф. с высоким числом атомов, т. к. для них ожидаемая темп-pa перехода в сверхпроводящее состояние лежит в диапазоне 60-100 К. Перспективы возможного использования углеродных микротрубок связывают с созданием на их основе систем записи, хранения, переработки и передачи информации.
Структура молекул Ф. позволяет рассматривать их как трёхмерный аналог ароматич. соединений. В хим. процессах Ф. проявляют себя как слабые окислители. Они легко присоединяют водород, галогены, свободные радикалы, щелочные металлы и их оксиды. Особый интерес представляет полученное металлсодержащее соединение C60(OsO4) L2 (где L -трет-бутилперидин), обладающее ферромагн. свойствами, а также создание аналогичных соединений с др. металлами платиновой группы. Присоединение к Ф. металлсодержащего органич. радикала уменьшает сродство молекулы Ф. к электрону, что изменяет её электрич. свойства и открывает возможность создания нового класса органических полупроводников с параметрами, изменяющимися в широком диапазоне.
Одно из перспективных направлений химии Ф. связано с возможностью внедрения внутрь полой сферич. или сфероидальной молекулы одного или неск. атомов и созданием, т. о., нового класса хим. соединений. Такие структуры (эндоэдралы) позволяют локализовать атомы с повыш. хим. активностью в строго определённой точке биол. объекта или элемента микроэлектроники. В настоящее время (1995) синтезировано значит. кол-во эндоэдральных структур, в к-рых в молекулы Ф. (С 60, С 70, С 78, С 84 и др.) внедрено до 3 атомов мн. элементов (в т. ч. металлов).
Лит.: Елецкий А. В., Смирнов Б. М., Кластер С 60 - новая форма углерода, "УФН", 1991, т. 161, в. 7, с. 173; их же, Фул-лерены, там же, 1993, т. 163, в. 2, с. 33; Kroto H. W., Allaf A. W., Balm S. P., C60: Buckminstcrfullerene, "Chem. Rev.", 1991, v. 91, p. 1213. А. В. Елецкий.
Энциклопедия Кольера
группа специфических молекул, состоящих только из атомов углерода, которые образуют каркас из 12 пятиугольников и нескольких шестиугольников. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Р.Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Впервые фуллерены были синтезированы в 1985 Х.Крото и Р.Смолли, а в 1992 их обнаружили в породах докембрийского периода. Сейчас их интенсивно изучают в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов - фуллерен-60 (C60) (его называют иногда бакминстер-фуллерен), в котором углеродные атомы образуют многогранник, напоминающий футбольный мяч. Известны также фуллерены C70 и C84. Фуллерен С60 получают испарением графита в атмосфере гелия. При этом образуется мелкодисперсный, похожий на сажу порошок, содержащий 10% углерода; при растворении в бензоле порошок дает раствор красного цвета, из которого и выращивают кристаллы С60. Фуллерены обладают необычными химическими и физическими свойствами. Так, при высоком давлении С60 становится твердым, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, как бы состоящую из идеально гладких шаров, свободно вращающихся в гранецентрированной кубической решетке. Благодаря этому свойству C60 можно использовать в качестве твердой смазки. Фуллерены обладают также магнитными и сверхпроводящими свойствами.
ФУЛЛЕРЕН-60, в котором 60 атомов углерода, соединенных одинарными и двойными связями, образуют многогранник из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Он представляет собой третью аллотропную форму углерода (первые две - алмаз и графит).
ЛИТЕРАТУРА
Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода. - Успехи физических наук, 1995, № 9
Химическая энциклопедия
одна из форм существования в природе углерода (кроме известных графита, алмаза, карбина, лонсдейли-та; см. Углерод}. Обнаружены в 80-х гг. 20 в. Ф. обычно представляют собой шарообразные молекулы C60 или молекулы C70, по форме близкие к дынеобразному мячу для регби. Пов-сть молекул Ф. состоит из 5- и 6-угольников, образованных атомами С (в молекуле C60 двадцать 6-угольников, в молекуле C70 - тридцать), внутри молекулы полые. Известны Ф., молекулы к-рых имеют более сложную форму (напр., полых трубок,- тубулены) и состоят из неск. сотен атомов С. Назв. Ф. дано по имени амер. архитектора и инженера Ричарда Бакминстера Фуллера, к-рый разработал конструкцию куполообразной крыши, составленной из 5- и 6-угольников, наподобие футбольного мяча ("геодезич. купол"); иногда Ф. наз. также бакминстерфуллеренами или просто баки-болами.
Диаметр молекулы C60 близок к 1 нм. Энергия связи атомов С велика и составляет 6,99 эВ/атом. При растворении C60 в бензоле образуется малиновый р-р, после испарения к-рого в вакууме получают желтые кристаллы C60. Кристаллич. решетка C60 гранецентрир. кубическая. По пластичности кристаллы C60 близки к графиту.
В Ф. все связи между атомами С насыщены за счет их взаимод. друг с другом, поэтому Ф.- единственная стабильная "чистая" форма углерода, т. к. в алмазе, графите и др. формах атомы С, расположенные на пов-сти тела, насыщают свои связи, направленные наружу из объема, за счет взаимод. с атомами H, О и др.
В первых опытах Ф. получали испарением графита в атмосфере Не под действием мощного импульсного лазера. Позднее было установлено, что Ф. образуются при пропускании тока чистого Не между двумя графитовыми электродами при возбуждении электрич. дуги. Возможно, C60 присутствует в коптящем пламени (напр., пламени свечи), в продуктах сжигания ацетилена.
При взаимод. C60 с щелочными металлами получены фул-лериды типа K3C60, к-рый при 18 К переходит в сверхпро-водящее состояние. Т-ра перехода в сверхпроводящее состояние фуллеридов тяжелых щелочных металлов - Rb и Cs -может достигать 43 К. Получены также продукты присоединения к Ф. галогенов, фосфора, NO2 и др. При гидрировании Ф. C60 последовательно образуются C60H36 и С 60 Н 60 Ч т. наз. фаззибол..
Лит.:Ke р л Р. Ф., Смолли P. Э., "В мире науки", 1991, № 12, с. 14-24; Соколов В. И., Станкевич И. В., "Успехи химии", 1993, в. 5, с. 455-70.
С. С. Бердоносов.
Энциклопедический словарь
фуллере́ны
полиморфные модификации углерода со структурой, построенной из кластерных частиц, имеющих форму шара (например, C60), дыни (C70), полых трубок (так называемые тубулены) и др. Получены синтетически в 1980-х гг. Среди производных фуллеренов — сверхпроводники, лекарственные вещества и др.
* * *
ФУЛЛЕРЕНЫФУЛЛЕРЕ́НЫ, класс химических соединений, молекулы которых состоят только из углерода (число атомов четно, от 32 до 90) и представляют по структуре выпуклые многогранники, построенные из правильных пяти- и шестиугольников. Молекула наиболее устойчивого фуллерена C60 имеет форму футбольного мяча, причем каждый атом углерода занимает позицию в вершине усеченного икосаэдра(см. ИКОСАЭДР). Открыты в 1985 Р. Керлом(см. КЕРЛ Роберт), Г. Крото(см. КРОТО Гаролд) и Р. Смолли(см. СМОЛЛИ Ричард) при испарении графитовой мишени лазерным пучком и последующей кластеризации атомов углерода; позднее обнаружены в саже, образующейся при горении свечи, сжигании графитовых электродов и т. п., а также в образцах из древних геологических отложений. Названы в честь американского архитектора и инженера Р. Б. Фуллера(см. ФУЛЛЕР Ричард Бакминстер), разработавшего дизайн строительных конструкций аналогичной формы. Перспективны для использования в оптике, электронике, как основа высокопрочных материалов и т. д.
Естествознание. Энциклопедический словарь
полиморфные модификации углерода со структурой, построенной из кластерных частиц, имеющих форму шара (напр., С60), дыни (С70), полых трубок (т. н. нанотрубки, или тубулены) и др. Получены синтетически в 1980-х гг. Среди производных Ф. -сверхпроводники, лекарств. в-ва и др.
Юридическая энциклопедия
Фуллерены - наночастицы, образованные определенным (обычно 60 или 70) числом атомов углерода, организованных в сферический каркас. Фуллерены можно рассматривать как отдельную аллотропическую форму углерода, не тождественную двум ранее известным - алмазу и графиту. Форма выпуска фуллеренов: порошки или растворы в органических растворителях, а также нанопленки (толщиной до 20 нм). В эту группу входят и химически модифицированные фуллерены: гидроксилированные, галогенированные, связанные с аминокислотами и металлами. Немодифицированные фуллерены практически нерастворимы в воде и полярных растворителях, а также в алифатических углеводородах и жирах; умеренно растворимы в ароматических углеводородах (толуол, ксилол, хлорбензол). Возможно получение коллоидных (мицеллярных) водных растворов фуллеренов в комплексе с некоторыми поверхностно-активными веществами и полимерами. Многие химически модифицированные фуллерены хорошо растворимы в воде. Истинные (молекулярные) растворы фуллеренов окрашены (имеют красный или фиолетовый цвет), имеют характеристический максимум поглощения в ближнем ультрафиолете при длине волны 324 - 340 нм
Источник: Определение приоритетных видов наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и живых организмах. Методические рекомендации. МР 1.2.2641-10"
(утв. Роспотребнадзором 24.05.2010)