Фуллере́ны, бакибо́лы или букибо́лы — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой

выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду

Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу.

История открытия фуллеренов

В 1985 году группа исследователей — Роберт Керл, Харолд Крото, Ричард Смолли, Хис и О’Брайен — исследовали масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении (абляции) твёрдого образца, и обнаружили пики с максимальной амплитудой, соответствующие кластерам состоящими из 60 и 70 атомов углерода. Они предположили, что данные пики отвечают молекулам С₆₀ и С70 и выдвинули гипотезу, что молекула С60 имеет форму усечённого икосаэдра симметрии Ih. Для молекулы С70 была предложена структура с более вытянутой эллипсоидальной формой симметрии D5h. Следует отметить, что открытие фуллеренов имеет свою предысторию: возможность их существования была предсказана ещё в 1971 году в Японии и теоретически обоснована в 1973 году в СССР. Расчёт показал, что подобная структура имеет закрытую углеродную оболочку и должна обладать высокой энергетической стабильностью. За открытие фуллеренов Крото, Смолли и Керлу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии.

Структурные свойства фуллеренов

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: n – e + f = 2 (необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и шестиугольных граней).

Шунги́т — докембрийская горная порода, являющаяся переходной стадией от антрацита к графиту. Встречается чёрного, тёмно серого и коричневого цвета.

Назван в честь посёлка Шуньга в Карелии. Электропроводен. Теплотворная способность 7500 ккал/кг. В золе шунгита (как и у всех природных графитов, содержащих примеси) содержится ванадий, никель, молибден, медь и др.

Чистый шунгит встречается в природе довольно редко, да и то в основном в виде тонких, до 30 см шириной, прожилок. Чаще он присутствует в качестве примеси в шунгитовыхсланцах и доломитах, распространенных по всему Заонежью — от Гирваса на западе до Толвуи и Шуньги на востоке.

Основные запасы шунгитов находятся на территории Заонежского полуострова и вокруг северной оконечности Онежского озера. К настоящему времени разведано два месторождения: «Максовское месторождение» (запасы неизвестны) и «Зажогинское месторождение» с запасами 35 млн тонн.

Различают две разновидности: 1) Блестящая разновидность

• С = 94 %

• O, N = 1,9 %

• H = 0,8 %

• зольность= до 2,2 %

2) Матово-серая разновидность

• С = 64 %

• O, N = 3,5 %

• H = 6,7 %

• зольность = до 3,3 %

В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных 6- и 5-угольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный — фуллерен (C60), в котором углеродные атомы образуют усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С60 принадлежит одновременно двум 6- и одному 5-угольнику, то все атомы в С60 эквивалентны, что подтверждается спектром ЯМР изотопа 13С — он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух 6-угольников, составляет 1.39 A, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 A. Кроме того, связь первого типа двойная, а второго — одинарная, что существенно для химии фуллерена С60.

Фуллери́т — это молекулярн. кристалл, в узлах решётки которого находятся молекулы  фуллерена. При нормальных условиях (300 К) молекулы фуллерена образуют гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решётку. Период такой решётки составляет а = 1,417 нм, средний  диаметр  молекулы  фуллерена С₆₀ составляет 0,708 нм, b – расстояние между соседними молекулами С₆₀ равно 1,002 нм. Плотность  фуллерита составляет 1,7 г/см³, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см³), и, тем более,  алмаза  (3,5 г/см³). Это связано с тем, что молекулы фуллерена, расположенные в узлах решётки фуллерита, полые. Поскольку силы взаимодействия между молекулами С₆₀ в кристалле малы, а симметрия очень высока, то при температуре выше 260 К молекулы фуллерена вращаются, и к ним вполне применима модель шарового слоя. При понижении температуры (Т < 260 K) вращение молекул фуллерена прекращается. При Т = 260 К происходит изменение кристаллической структуры фуллерита (фазовый переход 1 рода) с одновременным замораживанием вращательного движения молекул вследствие увеличения энергии межмолекулярного взаимодействия. Низкотемпературная фаза фуллерита имеет простую кубическую (ПК) решётку. Элементарная ячейка кристаллической решётки фуллерита содержит 8 тетраэдрических и 4 октаэдрических пустот, каждая из которых окружена соответственно 4 и 6 молекулами С₆₀. Размеры октаэдрических пустот составляют 0,42 нм, тетраэдрических — 0,22 нм. Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого рода — кристалл С60, менее — система кристаллического С70. Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения. Атомы углерода в молекуле фуллерена связаны σ- и π-связями, в то время как химической связи (в обычном смысле этого слова) между отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. Поэтому в конденсированной системе отдельные молекулы сохраняют свою индивидуальность (что важно при рассмотрении электронной структуры кристалла).

Молекулы удерживаются в кристалле силами Ван-дер-Ваальса, определяя в значительной мере макроскопические свойства твёрдого C60. При комнатных температурах кристалл С60 имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку с постоянной 1.415 нм, но при понижении температуры происходит фазовый переход первого рода (Ткр≈260 К) и кристалл С60 меняет свою структуру на простую кубическую (постоянная решётки 1.411 нм)[11] . При температуре Т > Ткр молекулы С60 хаотично вращаются вокруг своего центра равновесия, а при её снижении до критической две оси вращения замораживаются. Полное замораживание вращений происходит при 165 К.

Кристаллы С70 имеют объёмноцентрированную (ОЦК) решётку с небольшой примесью гексагональной фазы.

Фуллериты достаточно устойчивы химически и термически, хотя и представляют собой фазу, термодинамически невыгодную относительно графита. Они сохраняют стабильность в инертной атмосфере вплоть до температур порядка 1200 К, при которых происходит образование графита. Образования жидкой фазы вплоть до этих температур не наблюдается. В присутствии кислорода уже при 500 К наблюдается заметное окисление с образованием CO и CO₂. Химической деструкции фуллерита также способствует наличие следов растворителей. Фуллериты достаточно легко растворяются в неполярных ароматических растворителях и в сероуглероде CS₂. Существуют данные об образовании из фуллерита  ферромагнитных  полимеризованных фаз (так называемый магнитный углерод) под действием давления и температуры, хотя природа этого явления и сами данные не вполне однозначны. Существование таких фаз может быть связано с образованием дефектов, присутствием примесных атомов и частиц, а также с частичным разрушением молекул фуллерена. При давлениях свыше 10 ГПа и температурах свыше 1800 К происходит образование алмазных фаз, причем при определенных условиях могут быть получены нанокристаллические алмазы. Отмечают, что образование алмазов из фуллерита происходит при более низких температурах по сравнению с графитом. Особенностью фуллеритов является присутствие сравнительно больших межмолекулярных пустот, в которые могут быть внедрены атомы и небольшие молекулы. В результате заполнения этих пустот атомами щелочных металлов получают фуллериды, проявляющие сверхпроводящие свойства при температурах до 20–40 К. Полимеризованный фуллерит является самым твердым веществом, известным науке (примерно в 2 раза твёрже алмаза). Теоретически, из него можно изготавливать инструменты для обработки легированных сталей и алмазов, что, однако, далеко от практической реализации.

Следующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в результате чего молекула C70 оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби. Наиболее короткие связи соединяют вершины двух различных пентагонов. Наиболее длинные расположены в пятичленных циклах. Геометрические параметры молекулы С₇₀ восстановлены на основании измерения спектра потерь энергии электронов при упругом рассеянии на молекулах С₇₀ в газообразном состоянии.

Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить C74, 76, 78, 80, 82 и 84.