Фуллерены и соединения на основе углерода. Фуллерен. Фуллерены. §1 Фуллерены - аллотропная модификация углерода

Фуллерены

Введение

§1 Фуллерены - аллотропная модификация углерода

1.1 История открытия фуллеренов

1.2 Геометрическое строение фуллеренов

1.3 Свойства фуллеренов

1.4 Фуллерены в природе

1.5 Получение фуллеренов

1.6 Применение фуллеренов

§2 Многоугольники и многогранники

2.1 Многоугольники

2.2 Правильный пятиугольник

2.3 Способы построения правильного пятиугольника

2.4 Определение многогранников и виды многогранников

2.5 Тела Платона

2.6 Теорема Эйлера

2.7 Теорема Александрова

2.8 Дуальность

§3 Правило изолированных пентагонов (пятиугольников)

Заключение

Литература

многогранник атом углерод фуллерен

Введение

Можно указать несколько причин выбора данной темы для написания реферата.

Во-первых, на уроках геометрии мы познакомились с многогранниками - абстрактными математическими фигурами. При изучении многогранников нам стало интересно, как подобные объекты проявляются в природе. Во-вторых, на уроках химии, при изучении явления аллотропии углерода, мы кратко познакомились с необычными молекулами - фуллеренами.

Фуллерены - достаточно новое понятие в мире химии. Они очень интересны, свойства фуллеренов очень разнообразны, по строению молекулы фуллеренов - многогранники. Предварительный анализ литературы показал, что материала по свойствам и строению фуллеренов не много, он очень разрознен. Поэтому нам пришлось проанализировать много материала, относящегося и к математической части работы, и к химической части работы.

Цель работы:

Выяснить, как проявляются свойства многогранников на примере молекул фуллеренов.

Задачи:

1) дать определение фуллеренам;

2) кратко описать строение и свойства фуллеренов;

3) дать определение многоугольникам и многогранникам;

4) определить виды многоугольников и многогранников;

5) Рассмотреть какие виды многогранников проявляются на примере молекул фуллеренов

6) Рассмотреть как связана устойчивость фуллеренов с их геометрическим строением.

§1 Фуллерены - аллотропная модификация углерода

В настоящее время понятие "фуллерены" применяется к широкому классу многоатомных молекул углерода Cn , где n = 60. Твердые тела, образованные этими молекулами обычно называют фуллеритами. фуллерен является третьей аллотропной формой углерода (первые две - алмаз и графит). Молекула фуллерена является органической молекулой, а сам фуллерен представляет собой молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органической и неорганической материей.

1.1 История открытия фуллеренов

В 1973 году русские учёные Д. А. Бочвар и Е. Н. Гальперн опубликовали результаты квантово-химических расчётов, из которых следовало, что должна существовать устойчивая форма углерода, содержащая в молекуле 60 углеродных атомов и не имеющая никаких заместителей. В той же статье была предложена форма такой гипотетической молекулы. Выводы этой работы казались в то время совершенно фантастическими. Никто не мог себе представить, что такая молекула может существовать, и тем более - как взяться за её получение. Эта теоретическая работа несколько опередила своё время и была вначале попросту забыта.

В 1980-х годах астрофизические исследования позволили установить, что в спектрах некоторых звёзд, так называемых «красных гигантах», обнаружены полосы, указывающие на существование чисто углеродных молекул различного размера.

В 1985 году Г. Крото. И Р. Смоли начали проводить исследования уже в «Земных» условиях. Они провели исследования, которые, указывали на существование крупных агрегатов из углеродных атомов - С 60 и С 70 . В итоге была предложена структура многогранника, собранного из пяти- и шестиугольников. Это было точное повторение структуры, предложенной 12 лет назад Бочваром.

Название «фуллерен» было дано в честь известного американского архитектора Бакминстера Фуллера, предложившего строить ажурные куполообразные конструкции сочетанием пяти- и шестиугольников (рис 2 и 3). На первый взгляд кажется, что конструкция собрана из треугольников, однако чередование пяти - и шестилучёвых центров как раз и соответствует строению фуллерена.

1.2 Геометрическое строение фуллеренов

В самом общем виде молекулы фуллеренов представляют собой многогранник, построенный из многоугольников двух видов: шестиугольников (гексагонов) и пятиугольников (пентагонов). Вершины всех многоугольников - атомы углерода. Поверхность многогранника, составленного из многоугольников, подчиняется формуле Эйлера.

Откуда следует, что фуллерен должен содержать 12 пентагонов и произвольное число гексагонов. Действительно, все полученные или смоделированные фуллерены имеют 12 "обязательных" пятиугольников. В зависимости же от количества гексагонов состав сферических молекул может быть различным. Простейший фуллерен теоретически имеет формулу С 20 и состоит только из 12 пентагонов, образующих правильный многогранник - додекаэдр (рис 4). Однако ввиду неустойчивости такой молекулы выделить фуллерен-20 практически не удавалось.

Согласно существующим воззрениям на структуру фуллеренов, устойчивыми могут быть только те из них, в которых 12 "обязательных" пентагонов разделены гексагонами и не имеют между собой общих вершин или ребер. Наиболее исследованный фуллерен С 60 имеет форму усеченного икосаэдра и по внешнему сходству с футбольным мячом чаще называется футболенном (рис. 5). Молекула С 60 имеет 32 грани (12 пентагонов и 20 гексагонов).

Высшие фуллерены (например, С 78 или С 80) допускают различный порядок "выкладывания" поверхности пентагонами и гексагонами при сохранении их общего числа и принципа изоляции пентагонов, т.е. имеют изомеры.

1.3 Свойства фуллеренов

Фуллерены образуют молекулярные кристаллы - фуллериты. Их строение и физико-химические свойства хорошо изучены. Кристаллическая решетка С 60 гранецентрированная кубическая, каждая молекула имеет 12 «соседей», молекулы слабо связаны между собой. Для подобной молекулярной решетки характерны низкие температуры возгонки (800 °С), причем в пар переходят молекулы C 60 . которые прекрасно «живут» в газовой фазе вплоть до температуры 1500 К

Фуллерит С б0 -- твердое вещество горчичного цвета. С 70 - твердое вещество красновато-коричневого цвета.

Фуллериты растворяются в органических растворителях. Наиболее известные растворители можно расположить в следующем порядке уменьшения растворимости фуллеритов: сероуглерод, толуол, бензол, тетрахлорметан, декан, гексан, пентан.

Образцы С 60 чувствительны к воздействию ультрафиолетового излучения в отсутствии кислорода, и могут вступать в реакции разложения. Поэтому их следует хранить в темноте и под вакуумом или в азоте.

Чистый фуллерен при комнатной температуре является изолятором или полупроводником с очень низкой проводимостью.

Фуллериды щелочных металлов, имеющие состав А 3 С 60 , становятся сверхпроводящими при температуре ниже определенного значения

Фуллерены обладают различными магнитными свойствами.

Кристаллические фуллены обладают фотопроводимостью. При облучении видимым светом электрическое сопротивлении кристалла фуллерита уменьшается. Фотопроводимостью обладают не только чистый фуллерит, но и его различные смеси.

Результаты исследований процессов с участием фуллеренов свидетельствует об их аномально высокой стабильности. Причем, стабильность молекул с четными значениями атомов углерода n значительно превышает стабильность молекул с нечетными значениями n . У молекул Сn (n -нечетное) наиболее вероятно отщепление атома углерода, поэтому доля кластеров с нечетными n не превышает 1 %. Как показывают эксперименты, твердый фуллерен С 60 без разложения сублимируется при 400 ° С.

Молекулы фуллеренов обладают высокой электроотрицательностью и способны присоединять к себе до шести свободных электронов. Это делает их сильными окислителями, способными образовывать множество новых химических соединений с новыми интересными свойствами. Данное свойство фуллеренов обнаружилось уже в одном из первых экспериментов по их химическому превращению, где была осуществлена гидрогенизация С 60 . Продуктом этой реакции стала молекула С 60 Н 36 .

Фуллерены обладают высокой химической инертностью к процессу разложения на простые вещества: молекула С 60 сохраняет стабильность в инертной атмосфере до 1700 К. Однако в присутствии кислорода окисление наблюдается при значительно более низких температурах (около 500 К). При этом образуется аморфная структура, в которой на одну молекулу С 60 приходится 12 атомов кислорода. Повышение температуры сопровождается потерей формы молекулы С 60 .

1.4 Фуллерены в природе

Открытие фуллеренов обусловило и поиск фуллереновых структур в углеродсодержащих породах.

Фуллерены были найдены в природе. Сделали подобное поразительное открытие геохимики. Они обнаружили присутствие фуллерена в образцах, собранных в осадочных отложениях кратера Садбури, образовавшегося в результате метеоритного удара 1,85 млрд. лет назад. В параллельных и независимых исследованиях фуллерены были обнаружены также в образцах из участков границы мелового и третичного периодов в Новой Зеландии. Нахождение фуллеренов в отложениях объясняют тем, что примерно 65 млн. лет назад в результате удара гигантского метеорита на Земле возник мощный пожар, что способствовало образованию подобных структур.

Известно, что шунгитовая порода сформировалась около 2 млрд. лет тому назад и содержит некристаллический углерод, микроэлементы, минеральную составляющую, небольшое количество органики и воду. Содержание углерода, определяющего основные свойства шунгитовых пород, колеблется от 1 до 70 %., но на отдельных участках может достигать 98 % . Электронно-микроскопическими исследованиями было установлено, что для всех образцов характерен один основной структурный элемент - углеродные глобулы размером 10 нм, внутри которых было установлено наличие пустот. Также была установлена схожесть искажения графитоподобных слоев шунгитового углерода (ШУ) и фуллеренов. Основываясь на этих данных, авторы предложили фуллереноподобную структуру ШУ. Проведенные опыты показали присутствие фуллеренов С 60 и С 70 в количестве 0.0001 %. На основании этого была предложена фуллеренная модель шунгитового углерода.

1.5 Получение фуллеренов

Структура фуллерена близка к структуре графита, поэтому наиболее эффективный способ их получения основан на термическом испарении графита либо в результате омического нагрева графитового электрода, либо лазерного облучения. При умеренном нагреве графита происходит разрушение связей между отдельными слоями и из фрагментов, включающих шестиугольные конфигурации происходит сборка фуллеренов. Полученный угольный конденсат наряду с кластерами С-60 и С-70 содержит большое количество более мелких молекул, значительная часть которых переходит в С 60 и С 70 при выдержке в течение нескольких часов при 500-600° С, либо при более низкой температуре в неполярном растворителе.

Кроме перечисленных способов получения фуллеренов, являющихся термическими процессами разложения углеродсодержащих веществ, разработан каталитический метод синтеза фуллеренов из каменноугольной смолы. Отличительной чертой данного метода является низкая температура процесса, составляющая 200-400° С. Это на порядок ниже температуры термического разложения графита (3300° С)

1.6 Применение фуллеренов

Возникает перспектива использования фуллеренов в качестве основы для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации. Если в качестве носителей информации использовать фуллереновые магнитные диски, расположенные на поверхности жёсткого диска на расстоянии 5 нм. Друг от друга, то плотность записи достигает значения- 4*10 12 бит/см. 2 . Есть предложение использовать фуллерен в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. Обсуждаются вопросы применения их в создании фотоприёмников и оптоэлектронных устройств, лекарственных препаратов, сверхпроводящих материалов. Известен метод получения алмазов из поликристаллического фуллерита.

§2 Многоугольники и многогранники

2.1 Многоугольники

Многоугольник - геометрическая фигура на плоскости, ограниченная замкнутой ломаной линией; линия, которая получается, если взять n любых точек А 1 , А 2 , ..., А n и соединить прямолинейными отрезками каждую из них с последующей, а последнюю с первой.

Многоугольники бывают двух типов: выпуклые и невыпуклые . Мы подробнее рассмотрим выпуклые многоугольники. Многоугольник называют выпуклым , если никакая сторона многоугольника, будучи неограниченно продолженной, не разрезает многоугольник на две части. Выпуклые многоугольники бывают правильными и неправильными, но мы рассмотрим правильные. Выпуклый многоугольник называется правильным , если у него все стороны равны и все углы равны. Центром правильного многоугольника называется точка, равноудаленная от всех его вершин и всех его сторон.

Центральным углом правильного многоугольника называется угол, под которым видна сторона из его центра. Свойства правильного многоугольника:

1) Правильный многоугольник является вписанным в окружность и описанным около окружности, при этом центры этих окружностей совпадают;

2) Центр правильного многоугольника совпадает с центрами вписанной и описанной окружностей;

3) Сторона правильного n -угольника связана с радиусом R описанной окружности формулой;

4) Периметры правильных n -угольников относятся как радиусы описанных окружностей.

5) Диагонали правильного n-угольника делят его углы на равные части.

2.2 Правильный пятиугольник

Подробнее остановимся на правильном пятиугольнике - пентагоне.

Основные соотношения: угол при вершине пятиугольника равен 108°, внешний угол - 72°. Сторона пятиугольника выражается через радиусы вписанной и описанной окружности:

Построим правильный пятиугольник. Это легко сделать с помощью описанной окружности. Из ее центра надо последовательно отложить углы с вершиной в центре окружности, равные 72°. Стороны углов пересекут окружность в пяти точках, соединив их последовательно, получим правильный пятиугольник. А теперь проведем в этом пятиугольники все диагонали. Они образуют правильный звездчатый пятиугольник, т.е. знаменитую пентаграмму. Интересно, что стороны пентаграмм, пересекаясь, образуют снова правильный пятиугольник, в котором пересечение диагоналей дает нам новую пентаграмму и так далее до бесконечности (см. рис. 6).

Пентаграмма - правильный невыпуклый пятиугольник, она же правильный звездчатый пятиугольник, или правильная пятиугольная звезда. Форму пятиконечной звезды имеют многие цветы, морские звезды и ежи, вирусы и т.д. Первые упоминания о пентаграмме относятся к Древней Греции. В переводе с греческого пентаграмма означает дословно пять линий. Пентаграмма была отличительным знаком школы Пифагора (580-500 гг. до н.э.). Они считали, что этот красивый многоугольник обладает многими мистическими свойствами. Благоговейное отношение к пентаграмме было характерно и для средневековых мистиков, которые многое заимствовали у пифагорейцев. В средние века считалось, что пентаграмма служит охранным знаком от сатаны.

2.3 Способы построения правильного пятиугольника

Приближенное построение правильного пятиугольника представляет собой интерес. А.Дюрером оно проводится при условии неизменности раствора циркуля, что повышает точность построения (рис. 7).

Способ построения описан Дюрером так: "Однако пятиугольник, построенный неизменным раствором циркуля, делай так. Проведи две окружности так, чтобы каждая из них проходила через центр другой. Два центра А и В соедини прямой линией. Это и будет стороной пятиугольника. Точки пересечения окружностей обозначь сверху С, снизу D и проведи прямую линию CD. После этого возьми циркуль с неизменным раствором и, установив одну его ножку в точку D, другой проведи через оба центра А и В дугу до пересечения её с обеими окружностями. Точки пересечения обозначь через E и F, а точку пересечения с прямой CD обозначь буквой G. Теперь проведи прямую линию через Е и G до пересечения с линией окружности. Эту точку обозначь Н. Затем проведи другую линию через F и G до пересечения с линией окружности и поставь здесь J. Соединив J,A и H,B прямыми, получим три стороны пятиугольника. Дав возможность двум сторонам такой длины достигнуть совпадения в точке K из точек J и H, получим некоторый пятиугольник".

Пусть w- данная окружность радиуса R c центром О. Построим сначала правильный десятиугольник, вписанный в окружность w. Для этого проведем взаимно перпендикулярные радиусы ОА1 и ОВ окружности w и на отрезке ОВ как на диаметре построим окружность с центром С. Отрезок А1С пересекает эту окружность в некоторой точке D. Далее отметим на окружности w точки А2, А3, … , А10 так, что А1А2= А2А3=….

А9А10 = А1D. Десятиугольник А1А2…А10-искомый. Для того, чтобы построить правильный пятиугольник нужно соединить точки данного десятиугольника через одну, значит соединим точки А1,А3,А5,А7,А9. Пятиугольник А1А3А5А7А9- искомый.

Стороны пентаграммы, пересекаясь, делят друг друга на отрезки, длины которых образуют золотую пропорцию.

2.4 Определение многогранников и виды многогранников

Как указывалось ранее, молекулы фуллеренов представляют собой многогранники. Рассмотрим подробнее это понятие.

Какие фигуры называются правильными многогранниками? В курсе геометрии даётся определение: «Многогранник- это геометрическое тело, ограниченное со всех сторон плоскими многоугольниками, называемыми гранями. Стороны граней называются ребрами многогранника, а концы ребер- вершинами многогранника»

Названия правильных многогранников пришли из Древней Греции. В дословном переводе с греческого они означают: четырёхгранник, шестигранник, восьмигранник, двенадцатигранник и двадцатигранник (рис. 10).

2.5 Тела Платона

Правильные многогранники часто называют Платоновыми телами, поскольку он первым упомянул их в своих научных трактатах, хотя они были известны задолго до него.

Платон (рис. 11) считал, что мир строится из четырёх «стихий»- огня, земли, воздуха и воды, а вид этих «стихий» имеет форму четырёх правильных многогранников. Итак, тетраэдр олицетворял огонь, поскольку его вершина устремлена вверх, как у разгоревшегося пламени; икосаэдр- как самый обтекаемый- воду; куб- самая устойчивая из фигур- землю, октаэдр- как самый «воздушный» по конструкции- воздух. Пятый многогранник- додекаэдр- воплощал в себе «всё сущее», символизировал весь мир и небо и почитался главнейшим.

Правильный многогранник - это многогранник, у которого все грани - равные правильные многоугольники и в каждой вершине сходятся одно и то же число рёбер.

Я начну своё рассмотрение с правильных многогранников, гранями которых являются равносторонние треугольники. Первый из них - это тетраэдр. В тетраэдре три равносторонних треугольника встречаются в одной вершине; при этом их основания образуют новый равносторонний треугольник.

Тетраэдр имеет наименьшее число граней среди Платоновых тел и является трехмерным аналогом плоского правильного треугольника, который имеет наименьшее число сторон среди правильных многоугольников.

Следующее тело, которое образуется равносторонними треугольниками, называется октаэдром. В октаэдре в одной вершине встречаются четыре треугольника; в результате получается пирамида с четырехугольным основанием. Если соединить две такие пирамиды основаниями, то получится симметричное тело с восемью треугольными гранями - октаэдр.

Теперь можно попробовать соединить в одной точке пять равносторонних треугольников. В результате получится фигура с 20 треугольными гранями - икосаэдр. Следующая правильная форма многоугольника - квадрат. Если соединить три квадрата в одной точке и затем добавить еще три, мы получим совершенную форму с шестью гранями, называемую кубом. Наконец, существует еще одна возможность построения правильного многогранника, основанная на использовании следующего правильного многоугольника - пентагона. Если собрать 12 пентагонов таким образом, чтобы в каждой точке встречалось три пентагона, то получим еще одно Платоново тело, называемое додекаэдром.

Следующим правильным многоугольником является шестиугольник. Однако если соединить три шестиугольника в одной точке, то мы получим поверхность, то есть из шестиугольников нельзя построить объемную фигуру. Любые другие правильные многоугольники выше шестиугольника не могут образовывать тел вообще. Из этих рассуждений вытекает, что существует только пять правильных многогранников, гранями которых могут быть только равносторонние треугольники, квадраты и пентагоны.

Рассмотрим две теоремы из общей теории выпуклых многогранников, рассматриваемых как поверхности.

2.6 Теорема Эйлера

В таблице 1 представлено соотношение чисел граней, вершин и ребер для правильных многогранников.

Таблица № 1.

Рассматривая таблицу № 1, зададимся вопросом: «Нет ли закономерности в возрастании чисел в каждом столбце?» По-видимому, нет. В столбце «грани» сначала закономерность прослеживается (4+2=6, 6+2=8), а потом закономерность пропадает (8+2?12, 12+2?20). В столбце «вершины» нет даже стабильного возрастания. Число вершин то возрастает (от 4 до 8, от 6 до 20), а то убывает (от 8 до 6, от 20 до 12). В столбце «рёбра» закономерности даже не видно. Но не будем сдаваться. Ведь мы сравнивали числа внутри одного столбца. Но можно рассмотреть сумму чисел в двух столбцах, хотя бы в столбцах «грани» и «вершины» (Г и В). Тогда составим новую таблицу подсчётов.

Таблица № 2.

Вот теперь закономерность видна невооружённым взглядом. Сформулируем её так: «Сумма числа граней и вершин равна числу рёбер, увеличенному на два» Итак, мы доказали теорему Эйлера (1752).(число вершин минус число рёбер плюс число граней выпуклого многогранника -- равно двум). Как уже говорилось выше, простейший фуллерен С 20 представляет собой додекаэдр, то есть для него выполняется теорема Эйлера. Молекула самого устойчивого фуллерена С 60 имеет 60 вершин, 32 грани и 90 ребер, то есть 60 - 90 + 32 = 2, то есть теорема Эйлера также выполняется.

2.7 Теорема Александрова

Следующая теорема - это теорема Александрова (1939): Эта теорема есть теорема существования, то есть она показывает, с какими развёртками существуют выпуклые многогранники. Для этого чтобы развёртку превратить в поверхность выпуклого многогранника, необходимо, чтобы: а) удовлетворялось условие Эйлера и б) чтобы сумма плоских углов, сходящихся при склеивании в одной вершине, для любой вершины была меньше 360°.

На рисунке 12 приведены плоскостные развертки трех самых известных фуллерено: С 60 , С 70 и С 84 (напоминающий мяч для бейсбола, для наглядности на рисунке проведен шив мяча). При склеивании трехмерной модели развертка сначала увеличивается так, чтобы длина ребер многогранников составляла 2-3 см. Затем развертку вырезают по периметру. Шестиугольники с цифрой «5» вырезают со стороны вершины, помеченной точкой, и удаляют. Шестиугольники с буквой «Т» - язычки для склеивания. По мере склеивания модели на месте шестиугольников с цифрой «5» и образуются пятиугольники (вырезанные).

Если рассмотреть развертку молекул фуллеренов (рисунок 8), то видно, что в вершине соответствующей фигуры сходятся 2 шестиугольника и пятиугольник (тогда сумма плоских углов соответственно равна 120 0 +120 0 +72 0 =312 0 <360 0). То есть выполняется второе условие теоремы Александрова.

2.8 Дуальность

Существуют удивительные геометрические связи между всеми правильными многогранниками. Так, например, куб и октаэдр дуальны, то есть получаются друг из друга, если центры тяжести граней одного принять за вершины другого и обратно. Аналогично дуальны икосаэдр и додекаэдр.

Тетраэдр дуален сам себе. Додекаэдр получается из куба построением «крыш» на его гранях, вершинами тетраэдра являются любые четыре вершины куба, попарно не смежные по ребру, то есть из куба могут быть получены все остальные правильные многогранники. Следует отметить, что у пары дуальных многогранников число вершин одного равно числу граней другого, а рёбер у них поровну. Дуальные многогранники представлены на рисунке 13.

§3 Правило изолированных пентагонов (пятиугольников)

С точки зрения стабильности фуллерены могут быть разбиты на два типа: устойчивые и неустойчивые.

Грань между ними позволяет провести правило изолированных пентагонов (Izolated Pentagon Rule, IPR). Это правило гласит, что наиболее стабильными являются те фуллерены, в которых пентагоны не касаются друг друга, то есть каждый пентагон окружен пятью гексагонами и имеет общие ребра только с гексагонами. Бакминстерфуллерен является первым представителем фуллеренов, удовлетворяющим правилу изолированных пентагонов, С 70 - вторым представителем.

В молекуле С 60 , которая является наиболее симметричным представителем семейства фуллеренов, число шестиугольников равно 20. При этом каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками, а каждый шестиугольник имеет три общие стороны с шестиугольниками и три - с пятиугольниками.

В фуллеренах с n > 70 всегда есть изомер, подчиняющийся IPR-правилу, и число таких изомеров быстро возрастает. Найдено 5 для С 78 , 24 для С 84 и 40 для С 90 . Все остальные фуллерены с n от 22 до 68 имеют в своей структуре прилегающие друг к другу пентагоны и менее стабильны. Но несмотря на это правило удалось получить пленку черного цвета толщиной около 100 нм, состоящую в основном из молекул C 36 . Каждая молекула образована из 12 пятиугольных и двух шестиугольных углеродных колец и имеет ось симметрии шестого порядка.

По мере развития исследований фуллеренов были синтезированы и изучены молекулы фуллеренов, содержащие различное число атомов углерода - от 36 до 540. Однако до сих пор оставался нерешенным вопрос о возможности существования и способе получения минимально возможной молекулы фуллерена - С 20 . Поверхность такой молекулы должна состоять из одних пятиугольников и вовсе не содержать шестиугольников. Такая структура характеризуется существенно более острыми углами, чем у крупных молекул фуллеренов и не подчиняется правилу изолированных пентагонов, поэтому были основания сомневаться в химической стабильности, а стало быть и в возможности получения молекулы С 20 . В то же время без С 20 семейство фуллеренов выглядело неполным.

Заключение

В работе мы рассмотрели понятие фуллеренов - фуллерены - сравнительно недавно открытую аллотропную модификацию углерода. В отличие от других аллотропных модификаций углерода фуллерены имеют молекулярную структуру, а молекулы представляют собой полуправильные многогранники. Фуллерены представляют собой проявление изучаемых в математике абстрактных фигур - многогранников и многоугольников - в природе. Фуллерены - вещества, имеющие большие перспективы в использовании для различных целей, поэтому их исследование и изучение их геометрической структура очень важно.

Рассматривая строение молекул фуллеренов сделали вывод, что они подчиняются теоремам, сформулированным для выпуклых многогранников: теореме Эйлера и теореме Александрова.

Литература

1.Золотухин И. В., Фуллерит - новая форма углерода, Сорсовский Образовательный Журнал, №2, 1996, с. 51-56.

2.Сидоров Л. Н., Газовые кластеры и фуллерены, Сорсовский Образовательный Журнал, №3, 1998, с. 65-71.

3.Химия в школе, №1, 2001, ИССЛЕДОВАНИЯ, ОТКРЫТИЯ, ПРОГНОЗЫ: Фуллерен С36

4.Белов Д. В., Новые полиморфные МОДИФИКАЦИИ УГЛЕРОДА, Химия в школе, №2, 2003.

5.Семенов Е. Е. За страницами учебника геометрии, М, Просвещение, 1999.

6.Рывкин А., А, Рывкин А. З., Справочник по математике, М, Высшая школа, 1987

7.Атанасян Л. С., Геометрия 7-9, М. , Ппросвещение, 2005.

8.Шарыгин И. Ф., Геометрия 7-9, М., Дрофа, 2002.

Подобные документы

Структура углеродных наноструктур. История открытия, геометрическое строение и способы получения фуллеренов. Их физические, химические, сорбционные, оптические, механические и трибологические свойства. Перспективы практического использования фуллеренов.

курсовая работа , добавлен 13.11.2011

Структурные особенности графена - однослойной двумерной углеродной структуры, его дефекты и свойства. Потенциальные области применения графена. Строение и получение фуллеренов. Классификация углеродных нанотрубок по количеству слоев, их применение.

курсовая работа , добавлен 03.03.2015

Фуллерены – новые аллотропные формы углерода: структура кристаллической решетки, электронное строение и химические свойства. Исследования фуллеренов, перспективы их применения в биологии, медицине. Методы получения водорастворимой формы - фуллеренолов.

реферат , добавлен 09.12.2012

Структура и свойства краун-эфиров и фуллеренов, их получение и применение. Схема установки для получения монослоев, приготовление растворов и построение р-А изотерм. Молекулярное моделирование и определение площади, занимаемой молекулой в плавающем слое.

дипломная работа , добавлен 01.04.2011

Фуллерен как молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода, способы получения. Знакомство с разнообразием физико-химических и структурных свойств соединений на основе фуллеренов. Анализ сфер применения фуллереносодержащих смесей.

реферат , добавлен 18.10.2013

Фуллерит как кристалл из больших молекул углерода Сn-фуллеренов. Знакомство с основными особенностями нанокристаллических материалов, анализ преимуществ: высокая вязкость, повышенная износостойкость. Характеристика механических свойств наноматериалов.

реферат , добавлен 20.05.2014

Закономерности влияния постоянного электрического поля на выход полициклических ароматических углеводородов, сажи, фуллеренов в бензол-кислородном пламени в зависимости от изменения межэлектродного расстояния, типа электродной системы, напряженности поля.

диссертация , добавлен 16.06.2013

Основные понятия нанотехнологии и развитие нанохимии. Роль углерода в наномире. Открытие фуллеренов как формы существования углерода. Виды умных наноматериалов: биомиметические, биодеградируемые, ферромагнитная жидкость, программно-аппаратный комплекс.

презентация , добавлен 12.08.2015

Место углерода в таблице химических элементов: строение атомов, энергетические уровни, степень окисления. Химические свойства углерода. Алмаз, графит, фуллерен. Адсорбция как важное свойство углерода. Изобретение противогаза и угольных фильтров.

презентация , добавлен 17.03.2011

Многообразие соединений углерода, их распространение в природе и применение. Аллотропные модификации. Физические свойства и строение атома свободного углерода. Химические свойства углерода. Карбонаты и гидрокарбонаты. Структура алмаза и графита.

Фуллеренами в наиболее общем значении этого понятия можно назвать экспериментально полученные и гипотетические молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода и имеющие форму выпуклых многогранников. Атомы углерода расположены в их вершинах, а C-C связи пролегают вдоль рёбер .

Фуллерен - это молекулярная форма углерода . Распространено определение, которое гласит, что фуллерены , находяшиеся в твёрдом состоянии, принято называть фуллеритами . Кристаллическая структура фуллерита представляет собой периодическую решётку молекул фуллерена, причём в кристаллическом фуллерите молекулы фуллеренов образуют ГЦК-решетку.

Фуллерен с начала девяностых годов представляет интерес для астрономии, физики, биологии, химии, геологии и других наук. Фуллерену приписывают фантастические медицинские свойства: например, фуллерен якобы уже начали использовать в косметике в качестве омолаживающего средства в косметологии. С помощью фуллерена собираются бороться с раком, ВИЧ и другими грозными заболеваниями. В то же время новизна этих данных, их малоизученность и специфика современного информационного пространства пока не позволяет доверять на сто процентов подобным сведениям о фуллерене.

ИЦМ(www.сайт)

Распространена сильно упрощённая точка зрения, что до открытия фуллерена существовали две полиморфные модификации углерода - графит и алмаз , а после 1990 года к ним добавилась ещё одна аллотропная форма углерода . На самом деле это не так, потому что формы существования углерода удивительно многообразны (см. статью ).

История открытия фуллеренов

Коллектив авторов под руководством Л.Н. Сидорова обобщил в монографии "Фуллерены" большое количество трудов на эту тему, хотя далеко не все: к моменту выхода книги общее количество посвящённых фуллеренам публикаций достигало примерно 15 тысяч. По мнению авторов, открытие фуллеренов - новой формы существования углерода - одного из самых распространённых элементов на нашей планете - признано одним из важнейших открытий в науке XX столетия. Несмотря на давно известную уникальную способность атомов углерода связываться в сложные разветвлённые и объёмные молекулярные структуры, составляющую основу всей органической химии, возможность образования только из одного углерода стабильных каркасных молекул всё равно оказалось неожиданной. По данным экспериментальное подтверждение тому, что молекулы подобного типа из 60 и более атомов могут возникать в ходе естественно протекающих в природе процессов, получено в 1985 г., но задолго до этого уже предполагали стабильность молекул с замкнутой углеродной сферой.

Обнаружение фуллеренов связано напрямую с исследованием процессов сублимации и конденсации углерода.

Новый этап в изучении фуллеренов наступил в 1990 году, когда был разработан метод получения новых соединений в граммовых количествах и описан способ выделения фуллеренов в чистом виде . После этого были установлены важнейшие структурные и физико-химические характеристики фуллерена С 60 . Изомер С60 (бакминстерфуллерен) - это наиболее легко образующееся соединение среди известных фуллеренов. Название своё фуллерен C60 получил в честь футуриста-архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, создавшего сооружения, куполообразный каркас которых состоял из пентагонов и гексагонов. Одновременно с этим в процессе исследования появилась необходимость в обобщающем названии фуллерены для объёмных структур с замкнутой поверхностью (углеродный каркас), благодаря их многообразию.

Стоит отметить также, что в честь Бакминстера Фуллера названа целая линейка углеродных материалов: фуллерен с60 (бакминстер фуллерен) также называют бакибол (Бакминстеру Фуллеру не нравилось имя "Бакминстер" и он предпочитал сокращённое имя "Баки"). Кроме того с этой же приставкой иногда называют: углеродные нанотрубки - бакитьюбы, фуллерены яйцевидной формы - buckyegg (buckyball egg) и т.п.

ИЦМ(www.сайт)

Свойства фуллеренов. Фуллерит

Свойства фуллеренов недостаточно изучены в силу объективных причин: относительно небольшое количество лабораторий имеет возможность изучать эти свойства. Зато в периодической и научно-популярной печати столько внимания отведено фуллеренам и их свойствам... Зачастую непроверенная информация о чудодейственных свойствах фуллеренов распространяется с поразительной скоростью и в огромных масштабах, в итоге слабый голос опровержений остаётся неуслышанным. Например, заявление одной группы учёных о том, что фуллерены присутствуют в шунгите, было проверено неоднократно, но подтверждения не нашло (см. обсуждение к ). Тем не менее шунгит сегодня считается "природным нанотехнологичным фуллеренсодержащим материалом" - утверждение, которое пока, на мой взгляд, больше похоже на маркетинговый ход.

Отдельные исследователи заявляют о таком настораживающем свойстве фуллеренов, как токсичность .

Как правило, когда говорят о свойствах фуллеренов имеют в виду их кристаллическую форму - фуллериты.

Существенное отличие кристаллов фуллеренов от молекулярных кристаллов многих других органических веществ в том, что у них не удаётся наблюдать жидкую фазу . Возможно, это связано с тем, что температура 1200 K перехода в жидкое состояние, которая приписывается фуллериту С 60 , уже превышает то её значение, при котором наступает заметная деструкция углеродного каркаса самих молекул фуллерена .

Согласно данным , к свойствам фуллеренов относится аномально высокоя стабильность, о которой свидетельствуют результаты исследований процессов с участием фуллеренов. В частности, автор отмечает, что кристаллический фуллерен существует как стабильное вещество вплоть до температур 1000 – 1200 К, что объясняется его кинетической устойчивостью. Правда это касается стабильности молекулы фуллерена С60 в инертной атмосфере аргона , а в присутствии кислорода наблюдается значительное окисление уже при 500 К с образованием CO и CO 2 .

Комплексному исследованию электрофизических и термодинамических свойств фуллеритов С60 и С70 в условиях экстремального ударного нагружения посвящена работа .

В любом случае при обсуждении свойств фуллеренов необходимо конкретизировать, какое соединение имеется в виду - С20, C60, С70 или другое, естественно, свойства у этих фуллеренов будут совершенно разные.

В настоящее время фуллерены С60, С70 и фуллеренсодержащие продукты производятся и предлагаются на реализацию различными зарубежными и отечественными предприятиями, поэтому купить фуллерены и заняться изучением свойств фуллеренов теоретически имеет возможность любой желающий. Фуллерены С60 и С70 предлагаются по ценам от 15$ до 210$ за грамм, и дороже, в зависимости от вида, степени чистоты, количества и других факторов. Производство и продажа фуллеренов »

Фуллерены в чугунах и сталях

Если предположить существование фуллеренов и фуллереновых структур в железо-углеродистых сплавах , то они должны существенно влиять на физико-механические свойства сталей и чугунов, участвуя в структурных и фазовых превращениях.

ИЦМ(www.сайт)

Механизмам кристаллизации железо-углеродистых сплавов давно уделяется очень пристальное внимание со стороны исследователей этих процессов. В статье рассматриваются возможные механизмы образования шаровидного графита в высокопрочном чугуне и особенности его строения как раз с учётом фуллереновой природы железоуглеродистых сплавов . Автор пишет, что "с открытием фуллеренов и структур на основе фуллеренов в ряде работ предпринимаются попытки объяснения механизма образования шаровидного графита на основе этих структур".

Работа рассматривает достижения в области химии фуллеренов и обобщает "новые представления о структуре железоуглеродистых расплавов". Автор утверждает, что молекулярная форма углерода – фуллерены С60 - идентифицирована им в железо-углеродистых сплавах, выплавленных методами классической металлургии, а также выявляет три возможных механизма появления фуллеренов в структуре сталей и чугунов :

переход фуллеренов в расплав из фуллеренсодержащей шихты в ходе металлургических процессов получения сплавов;

образование фуллеренов при первичной кристаллизации;

в результате структурных и фазовых превращений, протекающих при термических воздействиях.

В своё время, 5 лет назад, мы выбрали фуллерен и гексагон в качестве логотипа сайта www.сайт, как символ последних достижений в области исследования железо-углеродистых расплавов, как символ новых разработок и открытий, связанных с модифицированием Fe-C расплава - неотъемлемым этапом современного литейного производства и малой металлургии.

Лит.:

Сидоров Л.Н., Юровская М.А. и др. Фуллерены: Учебное пособие. М.: Издательство "Экзамен", 2005. - 688 с. (Серия "Учебное пособие для вузов") УДК 544(075.8) ББК 24.2я73 ISBN 5-472-00294-Х [ Аннотация ]
Левицкий М.М., Леменовский Д.А. Фуллерен // Любопытные факты из истории химии [Электронный ресурс], 2005-2012. - Режим доступа: http://www.xenoid.ruu, свободный. - Загл. с экрана.
Давыдов С.В. Кристаллизация шаровидного графита в расплаве высокопрочного чугуна // М.: Заготовительные производства в машиностроении, 2008, №3. – с. 3-8.
Дунаев А., Шапорев А., под рук. Авдеева А.А. Богатое семейство углеродных материалов // Нанотехнологическое сообщество Нанометр [Электронный ресурс], 2008 - Режим доступа: http://www.nanometer.ru, свободный. - Загл. с экрана.
Закирничная М.М. Образование фуллеренов в углеродистых сталях и чугунах при кристаллизации и термических воздействиях: Дис... докт. тех. наук; 05.02.01. - Уфа: УГНТУ. - 2001.
Елецкий А.В., Смирнов В.М. Фуллерены // УФН, 1993. - №2. - С.33-58.
Авдонин В.В. Электрофизические и термодинамические свойства фуллеритов C60 и C70 при высоких давлениях ударного сжатия: Автореф. дис... канд. тех. наук; 01.04.17. - Черноголовка: Институт проблем химической физики РАН. - 2008.
Золотухин И.В. Фуллерит - новая форма углерода // Химия. - 1996.
Палии Н.А. Фуллерен. Серебряный юбилей // Нанотехнологическое сообщество Нанометр [Электронный ресурс], 2010. - Режим доступа: http://www.nanometer.ru, свободный. - Загл. с экрана.
Годовский Д.А. Образование фуллеренов при кристаллизации чугунов: Автореф. дис... канд. тех. наук; 05.02.01. - УФА. - 2000.
A. Isacovic. Distinct Cytotoxic Mechanisms of Pristine versus Hydroxylated Fullerene / A. Isacovic, Z.Markovic, B.Todorovic, N.Nikolic, S. Vranjes-Djuric, M. Mirkovic, M. Dramicanin, L. Harhaji, N. Raicevic, Z. Nikolic, V. Trajkovic // Toxicological Sciences 91(1), 173–183 (2006)
Борщевский А.Я. Фуллерены / Борщевский А.Я., Иоффе И.Н., Сидоров Л.Н., Троянов С.И., Юровская М.А. // Нанотехнологическое сообщество Нанометр [Электронный ресурс], 2007. - Режим доступа: http://www.nanometer.ru, свободный. - Загл. с экрана.

Фуллерены - это молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных модификаций углерода, имеющие замкнутые каркасные структуры, состоящие из трех координированных атомов углерода и имеющих 12 пятиугольных и (n/2 - 10) шестиугольных граней (n≥20). Особенностью является то, что каждый пятиугольник соседствует только с шестиугольниками .

Наиболее устойчивую форму имеет С 60 (бакминстерфуллерен), сферическая полая структура которого состоит из 20 гексагонов и 12 пентагонов.

Рисунок 1. Структура С 60

Молекула C 60 представляет собой атомы углерода, связанные друг с другом ковалентной связью. Данная связь обусловлена обобществлением валентных электронов атомов. Длина связи С−С в пентагоне равна 1,43 Ǻ, как и длина стороны гексагона, объединяющей обе фигуры, однако, сторона, соединяющая гексагоны, составляет приблизительно 1,39 Ǻ .

В определенных условиях молекулы С 60 имеют свойство упорядочиваться в пространстве, они располагаются в узлах кристаллической решетки, иными словами, фуллерен образует кристалл, называемый фуллеритом. Чтобы молекулы С 60 систематично разместились в пространстве, как и их атомы, они должны связаться между собой. Данная связь между молекулами в кристалле обусловлена наличием слабой ван-дер-ваальсовой силы. Это явление объясняется тем, что в электрически нейтральной молекуле отрицательный заряд электронов и положительный заряд ядра рассредоточены в пространстве, в следствии чего молекулы способны поляризовать друг друга, иными словами, они приводят к смещению в пространстве центров положительного и отрицательного зарядов, что обуславливает их взаимодействие .

Твердый C 60 при комнатной температуре имеет гранецентрированную кубическую решетку, плотность которой составляет 1,68 г/см 3 . При температуре ниже 0° С происходит трансформация в кубическую решетку.

Энтальпия образования фуллерена-60 составляет около 42,5 кДж/моль. Данный показатель отображает его малую стабильность, по сравнению с графитом (0 кДж/моль) и алмазом (1,67 кДж/моль). Стоит отметить, что с увеличением размеров сферы (по мере увеличения количества атомов углерода) энтальпия образования асимптотически стремится к энтальпии графита, это объясняется тем, что сфера все больше напоминает плоскость.

Внешне фуллерены представляют собой мелкокристаллические порошки черного цвета, не имеющие запаха. Они практически нерастворимы в воде (H 2 O), этаноле (C 2 H 5 OH), ацетоне (C 3 H 6 O) и других полярных растворителя, зато в бензоле (C 6 H 6), толуоле (C 6 H 5 −CH 3), фенилхлориде (C 6 H 5 Cl) растворяются образуя окрашенные в красно-фиолетовый цвет растворы. Стоит отметить, что при добавлении капли стирола (C 8 H 8) к насыщенному раствору C 60 в диоксане (C 4 H 8 O 2), происходит мгновенное изменение окраски раствора с желто-коричневого окраса на красно-фиолетовую, в связи с образованием комплекса (сольвата).

В насыщенных растворах ароматических растворителей фуллерены при низких температурах образует осадок - кристаллосольват вида C 60 ·Xn, где в качестве X выступают бензол (C 6 H 6), толуол (C 6 H 5 −CH 3), стирол (C 8 H 8), ферроцен (Fe(C 5 H 5) 2) и другие молекулы.

Энтальпия растворения фуллерена в большинстве растворителей положительна, при увеличении температуры растворимость, как правило, ухудшается .

Исследование физических и химических свойств фуллерена является актуальным явлением, так как данное соединение все прочнее входит в нашу жизнь. В настоящее время обсуждаются идеи использования фуллеренов в создании фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста, алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин. Фуллерены применяются в синтезе металлов и сплавов с улучшенными свойствами.

Фуллерены планируются в использовании в основе производства аккумуляторных батарей. Принцип действия данных батарей основан на реакции гидрирования, они во многом аналогичны широко распространенным аккумуляторам на основе никеля, однако, в отличие от последних, обладают способностью запасать в несколько раз больше удельного количества водорода. Кроме того, подобные батареи обладают более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее продвинутыми в отношении этих качеств литийными аккумуляторами. Фуллереновые аккумуляторы могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов.

Значительное внимание уделяется проблеме использования фуллеренов в области медицины и фармакологии. Рассматривается идея создания противораковых медицинских препаратов, основой которых будут являться водорастворимые эндоэдральные соединения фуллеренов с радиоактивными изотопами.

Однако, применение фуллеренов ограничивается их высокой стоимостью, которая обусловлена трудоемкостью синтеза фуллереновой смеси, а также многостадийным выделением из нее отдельных компонентов.

Фуллере́н , бакибо́л или букибо́л - молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомовуглерода. Своим названием фуллерены обязаны инженеру и архитектору Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников, утверждающей справедливость равенства (где и соответственно количество вершин, ребер и граней), необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и шестиугольных граней. Если в состав молекулы фуллерена, помимо атомов углерода, входят атомы других химических элементов, то, если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются эндоэдральными, если снаружи - экзоэдральными

В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов - фуллерен (C 60), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С 60 принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С 60 эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа 13 С - он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1.39 Å, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 Å . Кроме того, связь первого типа двойная, а второго - одинарная, что существенно для химии фуллерена С 60 .

Ученые США и Германии выделили наименьший из фуллеренов* - молекулу С 20 . Самая известная молекула из фуллеренов - С 60 . Входящие в ее состав 60 атмов углерода расположены в высотах усеченного икосаэдра. Эта фигура, состоящая из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников, напоминает футбольный мяч. Среди граней молекулы С 20 нет шестиугольников, только 12 пятиугольников.

В течение некоторого времени получение молекулы С 20 считалось теоретически возможным - эксперт SEED Бернд Эгген спрогнозировал это открытие еще 10 лет назад - но это было трудно осуществить. Одна из причин этого в том, что из-за меньшего размера молекулы по сравнению с другими фуллеренами она более искривлена и обладает тенденцией к пружинному раскрытию. Она очень легко вступает в связь с другими элементами, образуя другие молекулы.

Получение молекулы С 20 удалось после того, как была получена двадцатигранная молекула C 20 H 20 - устойчивый углеводород, состоящий из 20 атомов углерода и 20 атомов водорода. В ходе двухступенчатого процесса атомы водорода были замещены атомами брома, которые обладают меньшей связывающей способностью с атомами углерода. Затем бром был удален и получилась молекула С 20 .

Полученные молекулы С 20 были довольно нестабильны, но их мимолетное присутствие было зарегистрировано спектроскопией.

К тому же этому крошечному футбольному мячу исследователи создали две другие формы С 20 , то есть изомеры этой молекулы, одна из них - в форме кольца, а другая - в форме чаши.

Фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники[править | править вики-текст]

Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика (единицы нс). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента .

Фуллерен как фоторезист[править | править вики-текст]

Под действием видимого (> 2 эВ), ультрафиолетового и более коротковолнового излучения фуллерены полимеризуются и в таком виде не растворяются органическими растворителями. В качестве иллюстрации применения фуллеренового фоторезиста можно привести пример получения субмикронного разрешения (≈20 нм) притравлении кремния электронным пучком с использованием маски из полимеризованной плёнки С 60 .

См. также: Технологический процесс в электронной промышленности

Фуллереновые добавки для роста алмазных плёнок методом CVD[править | править вики-текст]

Другой интересной возможностью практического применения является использование фуллереновых добавок при росте алмазных плёнок CVD-методом (Chemical Vapor Deposition). Введение фуллеренов в газовую фазу эффективно с двух точек зрения: увеличение скорости образования алмазных ядер на подложке и поставка строительных блоков из газовой фазы на подложку. В качестве строительных блоков выступают фрагменты С 2 , которые оказались подходящим материалом для роста алмазной плёнки. Экспериментально показано, что скорость роста алмазных плёнок достигает 0.6 мкм/час, что в 5 раз выше, чем без использования фуллеренов. Для реальной конкуренции алмазов с другими полупроводниками в микроэлектронике необходимо разработать метод гетероэпитаксии алмазных плёнок, однако рост монокристаллических плёнок на неалмазных подложках остаётся пока неразрешимой задачей. Один из возможных путей решения этой проблемы - использование буферного слоя фуллеренов между подложкой и плёнкой алмазов. Предпосылкой к исследованиям в этом направлении является хорошая адгезия фуллеренов к большинству материалов. Перечисленные положения особенно актуальны в связи с интенсивными исследованиями алмазов на предмет их использования в микроэлектронике следующего поколения. Высокое быстродействие (высокая насыщенная дрейфовая скорость); максимальная, по сравнению с любыми другими известными материалами, теплопроводность и химическая стойкость делают алмаз перспективным материалом для электроники следующего поколения .

Сверхпроводящие соединения с С 60 [править | править вики-текст]

Молекулярные кристаллы фуллеренов - полупроводники, однако в начале 1991 года было установлено, что легирование твёрдого С 60 небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник. Легирование С 60 производят путём обработки кристаллов парами металла при температурах в несколько сотен градусов Цельсия. При этом образуется структура типа X 3 С 60 (Х - атом щелочного металла). Первым интеркалированным металлом оказался калий. Переход соединения К 3 С 60 в сверхпроводящее состояние происходит при температуре 19 К. Это рекордное значение для молекулярных сверхпроводников. Вскоре установили, что сверхпроводимостью обладают многие фуллериты, легированные атомами щелочных металлов в соотношении либо Х 3 С 60 , либо XY 2 С 60 (X,Y - атомы щелочных металлов). Рекордсменом среди высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) указанных типов оказался RbCs 2 С 60 - его Т кр =33 К .

Влияние малых добавок фуллереновой сажи на антифрикционные и противоизносные свойства ПТФЭ[править | править вики-текст]

Следует отметить, что присутствие фуллерена С 60 в минеральных смазках инициирует на поверхностях контртел образование защитной фуллерено-полимерной пленки толщиной - 100 нм. Образованная пленка защищает от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, термостабильность смазок до 400-500 °C и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза, уменьшает время приработки контртел.

Другие области применения[править | править вики-текст]

Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и электрические батареи, в которых так или иначе используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. При этом выход алмазов увеличивается на ≈30 %.

Фуллерены могут быть также использованы в фармакологии для создания новых лекарств. Так, в 2007 году были проведены исследования, показавшие, что эти вещества могут оказаться перспективными для разработки противоаллергических средств .

Различные производные фуллеренов показали себя эффективными средствами в лечении вируса иммунодефицита человека: белок, ответственный за проникновение вируса в кровяные клетки - ВИЧ-1-протеаза, - имеет сферическую полость диаметром 10 Ǻ, форма которой остается постоянной при всех мутациях. Такой размер почти совпадает с диаметром молекулы фуллерена. Синтезировано производное фуллерена, которое растворимо в воде. Оно блокирует активный центр ВИЧ-протеазы, без которой невозможно образование новой вирусной частицы .

Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций.

Также фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для изготовления солнечных элементов.

Химические свойства[править | править вики-текст]

Фуллерены, несмотря на отсутствие атомов водорода, которые могут быть замещены как в случае обычных ароматических соединений, всё же могут быть функционализированы различными химическими методами. Например, успешно были применены такие реакции для функционализации фуллеренов, как реакция Дильса - Альдера, реакция Прато, реакция Бингеля. Фуллерены также могут быть прогидрированы с образованием продуктов от С 60 Н 2 до С 60 Н 50 .

Свойства фуллеренов

Фуллерит С б0 -- твердое вещество горчичного цвета. С 70 - твердое вещество красновато-коричневого цвета.

Фуллерены обладают различными магнитными свойствами.