Введение

В ХХ веке произошло много открытий, в корне изменивших жизнь человечества. Одним из таких открытий стало обнаружение новых аллотропных форм углерода, таких, как фуллерены, а впоследствии и углеродные нанотрубки и графен. Невероятные свойства этих структур открыли широчайшие перспективы их использования в областях электроники, медицины и многих других.

На данный момент количество статей и исследований данных стуктур исчисляется сотнями. Что, безусловно, только подчеркивает их актуальность для научного сообщества.

За открытие и изучение фуллеренов и графена были присуждены Нобелевские премии в 1997 и 2010 годах соответственно. Как можно увидеть из двух данных дат, однажды начавшиеся исследования не только не остановились, но и крайне активно продолжились и, логично будет предположить, что будут вестись и в будущем.

Данная работа включает в себя основные положения об исследованиях этих структур, их свойствах, производстве и применении, и имеет своей целью дать общее понятие о фуллеренах, нанотрубках и графене, а также предоставить научно-фактологическую основу для последующих выводов о важности продолжения данных исследований, и использования аллотропных форм углерода в различных сферах человеческой деятельности.

Глава 1.История открытия фуллеренов

В середине 60-х годов Дэвид Джонс конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразным образом свернутых графитовых слоев. Было показано,  что в качестве дефекта, внедренного в гексагональную решетку обычного графита, и приводящего к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник.

В начале 70-х годов физхимик–органик Е.Осава предположил существование полой, высокосимметричной молекулыС₆₀, со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч. Чуть позже (1973 г.) российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин сделали первые теоретические квантово-химические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность.

В августе 1985 года в лабораторию Р. Смолли приехал известный астрофизик Г. Крото, который работал над проблемой отождествления спектров инфракрасного излучения, испускаемого некоторыми межзвездными скоплениями. Одно из возможных решений этой проблемы, достаточно давно стоявшей в астрофизике, могло быть связано с кластерами углерода, который, как известно, составляет основу межзвездных скоплений. Целью визита Крото в Техас была попытка, воспользовавшись аппаратурой лаборатории Смолли, по масс-спектру кластеров углерода получить заключение об их возможной структуре. В экспериментах участвовали Г.Крото (Англия, Сассекский университет), Хит, О'Брайен, Р.Ф.Керл и Р. Смолли (США, Университет Раиса), и их результаты были таковы, что в масс-спектре кластеров углерода наблюдались явно выраженные пики с числом атомов 60 и 70. Сигналы соответствовали массам 720 и 840, что указывало на существование крупных агрегатов из углеродных атомов – С₆₀ и С₇₀.

Масс-спектры позволяют установить лишь молекулярную массу частицы и не более того, однако этого оказалось достаточно, чтобы фантазия ученых заработала. В итоге была предложена структура многогранника, собранного из пяти- и шестиугольников. Это было точное повторение структуры, предложенной 12 лет назад Д. Бочваром и Е. Гальпериным.

Первый способ получения и выделения  твердого кристаллического фуллерена был предложен в 1990 г. В.Кречмером и Д.Хафманом с коллегами в институте ядерной физики в г. Гейдельберге (Германия).

В 1992 в природном углеродном минерале – шунгите (свое название этот минерал получил от названия поселка Шуньга в Карелии) были обнаружены природные фуллерены.

В 1996 году Р.Е.Смолли, Р.Ф.Керл,Г.Крото получили Нобелевскую премию по химии за изучение молекул С₆₀, имеющих форму усеченного икосаэдра.

Летом 2010 года впервые были обнаружены фуллерены в космосе, и третьего сентября 2010 года была опубликована статья Jan Cami, Jeronimo Bernard-Salas, Els Peeters, Sarah Elizabeth Malek «Detection of C60 and C70 in a Young Planetary Nebula» в журнале Science 3 September 2010. Это открытие было сделано при помощи инфракрасного телескопа Spitzer (NASA). Исследователи из университета Западного Онтарио (Канада) и Корнельского университета смогли обнаружить фуллерены в туманности Tc1 по характерному спектру в инфракрасном диапазоне.