Фуллерены, их производные и нанотрубки

Содержание
Введение
История открытия
Строение молекул фуллеренов
Производные фуллеренов
Свойства фуллеренов
Масс-спектрометрия и исследования фуллеренов
Углеродные нанотрубки
Заключение

Строение молекул фуллеренов

Геометрическая структура молекулы С60 представляет собой одну из форм полиэдра - усеченный икосаэдр. Моделируя структуры полиэдрических кластеров углерода используют различные выпуклые многогранники. Ограничения на структуру накладываются двуцентровыми углерод-углеродными связями. Поэтому наиболее подходящими являются полиэдры с гранями, представляющими собой пяти-, шести-, семи-, и восьмичленными циклами.

При описании связей в карбополиэдрах используют следующий подход, основанный на приближенном квантово-химическом методе Хюккеля. Каждый атом углерода представляет три гибридные орбитали и три электрона на образование трех двуэлектронных локализованных -связей с соседними атомами. Четвертый электрон расположен на гибридной орбитали -типа (их обозначают как -орбитали), ортогональной к трем -орбиталям, ориентированным вдоль связей с соседними атомами. Методом Хюккеля были выполнены обширные расчеты различных кластеров углерода разной полиэдрической формы и были выработаны правила построения стабильных структур. Наиболее важные из них:

Рис.1. Молекула С60.

1. Стабильные кластеры углерода имеют вид полиэдров, в которых каждый атом углерода имеет координационное число 3.
2. Более стабильны карбополиэдры, содержащие только пяти- и шестичленные циклы.
3. Более симметричные кластеры углерода будут и более стабильными.
4. Пятичленные циклы в полиэдрах должны быть изолированными.
5. Форма карбополиэдра должна быть близка к сферической.

Таким образом, структура молекулы С60 представляет собой полиэдр с наиболее высокой симметрией Ih - симметрией усеченного икосаэдра (рис. 1). Полиэдры с большим числом вершин сложно представить наглядно в виде пространственной фигуры. Поэтому при описании высших фуллеренов используют плоские графы - диаграммы Шлегеля. Диаграмма Шлегеля, представляющая молекулу С60, изображена на рис.2. Структура С60 содержит 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, причем каждый шестиугольник граничит с 3 пятиугольниками и 3 шестиугольниками, пятиугольники граничат только с шестиугольниками. Такая структура обеспечивает молекуле С60 необычайную устойчивость. Наличие пятиугольников при построении замкнутых объемных геометрических фигур обязательно, именно они обеспечивают искривление графитовых слоев. Длины С-С связей различаются в зависимости от того, на какой границе они находятся: длина С-С связи на границе шестиугольник-шестиугольник равна 0,139 нм, а длина С-С связи на границе шестиугольник-пятиугольник 0,144 нм.

Рис.2. Диаграмма Шлегеля молекулы С60.

На основании вышеуказанных правил и различных квантово-химических расчетов, уже в начале 90 годов были рассмотрены разнообразные карбополиэдры Cn и отобраны наиболее устойчивые изомеры, так что геометрическая структура С60, С70 и других, высших фуллеренов, С76, С84, С90 и С94, синтезированных к настоящему времени, определены достаточно достоверно.

Молекулы фуллерена представляют собой полую сферическую структуру, пространства внутри молекулы достаточно, чтобы поместить туда атом. О такой возможности было указано еще во время открытия С60. Подобные фуллереновые производные называются эндоэдральными комплексами (в отличие от экзоэдральных комплексов, в которых заместители находятся вне оболочки). К настоящему времени удалось ввести внутрь клетки фуллерена атомы, представляющие значительную часть элементов Периодической таблицы Менделеева. Изучение таких комплексов дало информацию о точном геометрическом положении и зарядовом состоянии инкапсулированных атомов, о характере колебательного движения атомов внутри клетки, а также о типе их химической связи с атомами углерода. В частности, некоторые эндоэдральные металлокомплексы, благодаря значительному смещению равновесного положения атома металла относительно центра молекулы, обладают большим дипольным моментом, следствием этого явилось то, что кристаллы из этих кластеров обладают спонтанной электрической поляризацией, т.е. обладают сегнетоэлектрическими свойствами. Эндоэдральные фуллерены, содержащие полярные молекулы, могут оказаться основой для новых ферроэлектрических материалов. Ожидается, что соединения из эндоэдральных фуллеренов окажутся сверхпроводящими материалами. Химическая инертность атомов металлов, заключенных внутри эндоэдральных фуллеренов, открывает перспективу хранения ядовитых и радиоактивных материалов.