Строение и свойства

Центральное место среди фуллеренов занимает молекула С₆₀, которая характеризуется наиболее высокой симметрией и, как следствие, наибольшей стабильностью

В этой молекуле, напоминающей покрышку футбольного мяча и имеющей структуру правильного усеченного икосаэдра.

Электронная оболочка s²p² атома углерода обеспечивает оптимальную структуру углерода, когда соседние атомы образуют пяти и шестиугольники. Такая структура имеет место и в наиболее распространенных в природе модификациях твердого углерода - алмазе и графите. Эта структура является оптимальной и для наиболее устойчивых кластеров углерода, образующихся в результате термического распыления графита. Стабильные молекулы углерода имеют структуру замкнутой поверхности, на которой находятся атомы углерода. Эта замкнутая поверхность выложена шестиугольниками и пятиугольниками. Шестиугольник, в вершине которого расположены атомы углерода, является элементом структуры как фуллерена, так и графита. Поскольку наиболее эффективные способы получения фуллеренов основаны на термическом разрушении графита, естественно заключить, что шестиугольник, которыми выложена сферическая или сфероидальная поверхность молекул фуллеренов, имеют те же размеры, что и шестиугольники, входящие в графит.

Ранее считали, что все связи в молекуле эквивалентными, равными по длине. В действительности в структуре С₆₀ имеются два типа связей, одна из которых (двойная) является общей стороной двух шестиугольников, а другая (одинарная) является общей стороной шестиугольника и пятиугольника. Результаты различных экспериментов показывают, что длинны этих связей соответственно равны 0.139  0.001 и 0.144  0.001 нм. Поэтому шестиугольники, составляющие С₆₀ несколько отличаются от правильных и представленная выше оценка размера фуллерена справедлива лишь с точностью 1-2%. Более точное значение радиуса молекулы С₆₀, согласно данным ренгеноструктурного анализа составляет 0.375 нм. При этом необходимо отметить, что все атомы углерода в молекуле С₆₀ находятся в равнозначном положении, так что каждый атом принадлежит одновременно двум шестиугольникам и одному пятиугольнику. Это подтверждается видом спектров ядерного магнитного резонанса молекулы С₆₀, содержащей изотоп ¹³С. Для чистого образца этот спектр содержит только один резонанс.

Структура других молекул фуллеренов получается добавлением (для высших) либо исключением (для низших) шестиугольников в структуру С₆₀. Так, фуллерен С₇₀ получается из С₆₀ путем добавления пояса из десяти шестиугольников. Форма С₇₀ - регбийный мяч. Структура наинизшего фуллерена С₂₀ получается исключением всех двадцати шестиугольников из С₆₀. Структура С₂₀ - правильный додекаэдр, состоящий из двенадцати пятиугольников.

Подавляющее большинство всевозможных низших и не совсем высших (примерно до ста углеродных атомов) уже зафиксировано экспериментально. Как правило такие структуры обладают более низкими по отношению к С₆₀ симметриями, что подтверждается спектрами ЯМР ¹³С.

Получение фуллеренов

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита в соответствии с рассмотренной ранее схемой сборки молекулы фуллерена. При оптимальных условиях генерации молекул фуллеренов нагревание графита должно быть умеренным, в результате чего продукты его распада будут состоять из фрагментов, являющихся элементами структуры молекул фуллеренов. При этом разрушаются связи между отдельными слоями графита, но не происходит разложения испаряемого углерода на отдельные атомы. При этих условиях испаряемый графит состоит из фрагментов, включающих шестиугольные конфигурации атомов углерода. Из этих фрагментов и происходит сборка молекулы С₆₀ и других фуллеренов.

Для разложения графита при получении фуллеренов используют как электрический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита. Эти процессы проводят в буферном газе, в качестве которого обычно используют гелий.