По-пълна; роден

Фулеренът е молекула, съставена от въглерод, която може да приеме геометрична форма, напомняща на сфера, елипсоид, тръба или пръстен.

Категории:

Фулерен - Наноматериал - Материал - Форма на въглерода

A фулерен е молекула, съставена от въглерод, която може да приеме геометрична форма, напомняща на сфера, елипсоид, тръба (наречена нанотръба) или пръстен. Фулерените са същите като графита, състоящи се от листове от свързани шестоъгълни пръстени, но съдържащи петоъгълни, а понякога и седмоъгълни пръстени, което предотвратява плоския лист.

Фулерените са открити през 1985 г. от Харолд Крото, Робърт Кърл и Ричард Смоли, като им носи Нобелова награда за химия през 1996 г.

Първият открит фулерен, C60, се състои от 12 петоъгълника и 20 шестоъгълника, всеки връх съответства на въглероден атом и всяка страна на ковалентна връзка. Той има структура, подобна на геодезически купол или футболна топка. Поради тази причина той е наречен "buckminsterfullerene" (в чест на архитекта Buckminster Fuller, който е проектирал геодезическия купол) или "footballene".

Исторически

Съществуването на C60 е предсказано от Ейджи Осава от Техническия университет в Тойохаши през 1970 г. Той забелязва, че структурата на молекулата на коранулен е подмножество на формата на футболна топка и прави хипотезата, че може да съществува пълна форма на футболна топка. Идеята му е подхваната в японски вестници, но не достига до европейска и американска публика.

През 80-те години Крото и др. искаше да разбере по-добре механизмите на образуване на дълги въглеродни вериги в междузвездното пространство. За тази цел те изпариха графитен диск чрез лазерна аблация и демонстрираха съществуването на специфично стабилни агрегати, съдържащи 60 въглеродни атома. При експерименти с молекулни лъчи се наблюдават дискретни пикове, съответстващи на молекули с точна маса от 60, 70 или повече въглеродни атоми. На 4 септември 1985 г. Харолд Крото, Джеймс Р. Хийт, Шон О'Брайън, Робърт Кърл и Ричард Смоли откриват C60 [1] и скоро след това откриват фулерени. Крото, Кърл и Смоли бяха отличени с Нобелова награда за химия през 1996 г. за ролята им в откриването на този клас съединения.

По-късно C60 и други фулерени са наблюдавани извън лабораториите: малки количества фулерени под формата на молекули C60, C70, C76 и C84 се произвеждат в природата, в сажди по време на изгаряне и при светкавица през атмосферата. Присъствието на фулерени C60 и C70 в междузвездното пространство е демонстрирано през 2010 г. чрез инфрачервена спектроскопия в планетарната мъглявина Tc1 [2] .

През 1991 г. беше лесно да се произведат грамови количества фулерен на прах, използвайки техниките на Доналд Хъфман и Волфганг Кречмер [3]. През 21 век пречистването на фулерен остава предизвикателство за химиците и до голяма степен определя цената му. Ендоедричните фулерени например включват йони и малки молекули в тяхната структура. Фулеренът има необичайно поведение при много органични реакции, като например реакцията на Бингел, открита през 1993 г.

Вариации

От откриването на фулерените през 1985 г. структурните вариации на откритите фулерени надхвърлят самите фрагменти. Например има:

buckyballs: най-малкият е C20, а най-често срещаният е C60;
нанотръби: кухи тръби с много малки размери, имащи една или повече стени, с потенциално приложение в електронната индустрия;
мегатръби: по-големи в диаметър от нанотръбите и със стени с различна ширина, които могат да се използват за транспортиране на разновидности на молекули с различни размери;
полимери: дву или триизмерни вериги, които се образуват под високо налягане при високи температури;
нано „лук“: сферични частици на основата на множество въглеродни слоеве, заобикалящи сърцевината на бакибола, предлагани като смазки;
димери за свързване на вериги и топки: две топки, свързани с въглеродна верига;
фулеренови пръстени.

През 1997 г. фулерени са открити в минерал, известен като шунгит в Република Карелия, Русия [4] .

Buckyballs

Buckminsterfullerene

C60 е обявен за buckminsterfullerene в чест на Ричард Бъкминстър Фулър, известен архитект, който популяризира геодезическия купол. Тъй като Buckminsterfullerenes имаха същата форма като купола, името беше признато за подходящо. Откритието на семейството на фулерените идва след като buckminsterfullerene, името е съкратено, за да илюстрира, че последният е вид фулерен.

Buckminsterfullerene (IUPAC код: (C60-Ih) [5, 6] фулерен) е най-малката молекула на фулерен, в която два петоъгълника не споделят едната страна (което може да дестабилизира). Той е най-често срещаният по отношение на естествената поява, тъй като може да се намери в сажди.

Структурата на C60 е пресечен икосаедър (T = 3), който е сравним с футболна топка, направена от 20 шестоъгълника и 12 петоъгълника, с въглероден атом в горната част на всеки полигон и връзка от двете страни на полигона.

Диаметърът на Ван дер Ваалс на молекулата C60 е приблизително един нанометър (nm). Диаметърът на ядрото на молекулата С60 е около 0.7 nm .

Молекулата C60 има дължина на химическата връзка 2. Пръстеновата връзка 6: 6 (между два шестоъгълника) може да бъде разпозната като ковалентна връзка и е по-къса от връзката 6: 5 (между шестоъгълник и петоъгълник).

Сортове

C70 е друг често срещан фулерен, но могат да се получат фулерени със 72, 76, 84 и дори до 100 въглеродни атома.

Най-малкият фулерен е додекаедърът, C20. Няма фулерени с 22 върха. Броят на C2n фулерените се увеличава с n = 12, n = 13, n = 14 и т.н. пропорционално на n. Например, има 1812 неизоморфни фулерена C60. Една форма на C60, пресечен икозаедрен фулерен, няма двойка съседни петоъгълници (най-малкият фулерен от своя тип). Съществуват 214 127 713 неизоморфни фулерена C200, от които 15 655 672 фулерена нямат съседни петоъгълници [5] .