Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Сибирский государственный технологический университет

Кафедра физики

Курсовая работа

Фуллерены и их применения

Выполнил:

ст. гр. 81-2

А. С. Гаспарян

Проверил:

зав. кафедрой физики,

д. ф-м. н., проф.

Ю. В. Захаров

Красноярск, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

I. РАЗДЕЛ III. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.

1. Сырье и материалы. Фуллерены и их применение.

1.1. Об истории возникновения……………………………………….…….3

1.2. Область науки и основные направления……………………………....5

1.3. Основные теоретические понятия…………………………………..…6

1.4. Применение фуллеренов………………………………………………15

1.5. Состояние вопроса в России и за рубежом…………………………..18

II. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………….…23

2

I. РАЗДЕЛ III. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.

1. Сырье и материалы. Фуллерены и их применение.

1.1. Об истории возникновения.

Открытие фуллеренов — новой формы существования одного из самых распространенных элементов на Земле — углерода, признано одним из удивительных и важнейших открытий в науке XX столетия. Несмотря на давно известную уникальную способность атомов углерода связываться в сложные, часто разветвленные и объемные молекулярные структуры, составляющую основу всей органической химии, фактическая возможность образования только из одного углерода стабильных каркасных молекул все равно оказалось неожиданной. Экспериментальное подтверждение того, что молекулы подобного типа, состоящие из 60 и более атомов, могут возникать в ходе естественно протекающих в природе процессов, произошло в 1985 г. И задолго до этого некоторые авторы предполагали стабильность молекул с замкнутой углеродной сферой. Однако эти предположения носили сугубо умозрительный, чисто теоретический характер. Вообразить, что такие соединения могут быть получены путем химического синтеза, было довольно трудно. Поэтому данные работы остались незамеченными, и внимание на них было обращено только задним числом, уже после экспериментального обнаружения фуллеренов. Новый этап наступил в 1990 г., когда был найден метод получения новых соединений в граммовых количествах, и описан метод выделения фуллеренов в чистом виде. Очень скоро после этого были определены важнейшие структурные и физико-химические характеристики фуллерена С60 — наиболее легко образующегося соединения среди известных фуллеренов. За свое открытие — обнаружение углеродных кластеров состава C60 и C70 — Р. Керл, Р. Смолли и Г. Крото в 1996 г. были удостоены Нобелевской премии по химии. Ими же и была предложена

3

структура фуллерена C60, известная всем любителям футбола.

молекула С60

Как известно, оболочка футбольного мяча скроена из 12 пентагонов и 20 гексагонов. Теоретически возможно 12500 вариантов расположения двойных и ординарных связей. Наиболее стабильный изомер (показанный на рисунке) имеет структуру усеченного икосаэдра, в которой отсутствуют двойные связи в пентагонах. Этот изомер С60 получил название «Бакминстерфуллерен» в честь известного архитектора по имени R. Buckminster Fuller, создавшего сооружения, куполообразный каркас которых сконструирован из пентагонов и гексагонов. Вскоре была предложена структура для С70, напоминающая мяч для игры в регби (с вытянутой формой).

В углеродном каркасе атомы C характеризуются sp2-гибридизацией, причем каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами. Валентность 4 реализуется за счет p-связей между каждым атомом углерода и одним из его соседей. Естественно, предполагается, что p-связи могут быть делокализованы, как в ароматических соединениях. Такие структуры могут быть построены при n≥20 для любых четных кластеров. В них должно содержаться 12 пентагонов и (n-20)/2 гексагонов. Низший из теоретически возможных фуллеренов C20 представляет собой не что иное, как додекаэдр

4

— один из пяти правильных многогранников, в котором имеется 12 пятиугольных граней, а шестиугольные грани вовсе отсутствуют. Молекула такой формы имела бы крайне напряженную структуру, и поэтому ее существование энергетически невыгодно.

Таким образом, с точки зрения стабильности, фуллерены могут быть разбиты на два типа. Границу между ними позволяет провести т. н. правило изолированных пентагонов (Isolated Pentagon Rule, IPR). Это правило гласит, что наиболее стабильными являются те фуллерены, в которых ни одна пара пентагонов не имеет смежных ребер. Другими словами, пентагоны не касаются друг друга, и каждый пентагон окружен пятью гексагонами. Если располагать фуллерены в порядке увеличения числа атомов углерода n, то Бакминстерфуллерен — C60 является первым представителем, удовлетворяющим правилу изолированных пентагонов, а С70 — вторым. Среди молекул фуллеренов с n>70 всегда есть изомер, подчиняющийся IPR, и число таких изомеров быстро возрастает с ростом числа атомов. Найдено 5 изомеров для С78, 24 — для С84 и 40 — для C90. Изомеры, имеющие в своей структуре смежные пентагоны существенно менее стабильны.