Фулерен

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Бъкминстърфулерен C60 — първият открит фулерен
Футболните топки често имат формата на бъкминстърфулерена

Фулерените (на английски: fullerene), Cn, са алотропна модификация на въглерода, атомите на която са подредени във формата на куха сфера, елипсоид или цилиндър. Сферичните фулерени са известни още като бъкиболи (на английски: buckyball), а цилиндричните — като въглеродни нанотръби. Фулерените имат сходство с графита, който е съставен от листове графен, но в тях обичайно се срещат и петоъгълни и седмоъгълни въглеродни пръстени. Смятат се за най-стабилна форма на въглерода, тъй като там атомите са в sp2-хибридно състояние.[1]

Откриването на фулерените през 1985 г. значително разширява броя на известните алотропни форми на въглерода, тъй като дотогава са известни графитът, графенът, диамантът и аморфният въглерод. Фулерените са предмет на множество научни изследвания поради тяхното потенциално приложенине в нанатехнологиите.

Фулерените са открити случайно в природата[2][3] и в открития Космос.[4][5][6] Предполага се, че в околното пространство на въглеродните звезди в Космоса съществуват фулерени и линейни образувания от въглеродни атоми.[7]

Откриване[редактиране | редактиране на кода]

Преди 80-те години на 20 век е теоретично доказано и впоследствие наблюдавано, че при температури над 1000 К па́рите на всеки химичен елемент, освен въглерода, са или едноатомни, или двуатомни, а само въглеродът образува клъстери Cn с размери в нанометровия диапазон, образувайки куха молекула. При температура 3000 – 4000 °C е значителен броят на клъстерите n ≈ 15.[7] До 1986 г. никой не се е стремял да получи клъстери с n > 20.[7] През 1985 г. американците Ричард Смоли и Робърт Кърл и британецът Харолд Крото създават заедно нова техника за изследване на въглеродните клъстери, както и метод за получаване на високоплътни клъстерни потоци със свръхзвукова скорост в струя на хелий и лазерно изпарение на въглерода.[7] В резултат на изследването станало ясно, че при определени условия на експеримента интензитетът на клъстера C60 се получава хиляди пъти по-голям от всички останали.[7] Изследвания показват, че C60 е затворена куха фигура, приличаща на футболна топка, голяма 1 нанометър, чиято повърхност се образува от 12 петоъгълника и 20 шестоъгълника. Петоъгълниците са образувани от от единични връзки, а при шестоъгълниците се редуват прости и двойни връзки, като за цялата молекула е харакетрна резонансна свръхароматност. Молекулата на C60 е икосаедрична.

Названието „фулерени“ е в чест на американския архитект Ричард Бъкминстър Фулър, който използвал конструкция с петоъгълници и шестоъгълници, за да затвори сферичната форма на купола на ЕКСПО-60 в Монреал, САЩ.[7]

В масовия спектър на изследването са получени и други структури n = 70, 50, 28 и по-рядко 20, 24, 32, 36, но всички те са значително по-нестабилни от C60. За своето откритие Ричард Смоли, Робърт Кърл и Харолд Крото, получават Нобелова награда по химия през 1996 г.[7]

Физични свойства[редактиране | редактиране на кода]

Фулерените са ситнокристални вещества. Не са намерени следи от други атоми по повърхността на фулерените, което ги различава от отсатналите алотропни форми на въглерода. C60 кристализира в кубична сингония, тип NaCl с плътност 1,7 g/cm3. При нагряване кристалите се топят на 500 – 600 °C , а молекулите се разрушават при 900 – 1000 °C. Притежават полупроводникови свойства.

Химични свойства[редактиране | редактиране на кода]

Фулерените реагират с алкалните метали и образуват йонни съединения, наречени фулериди – K3C60, KRb2C60, Na2CsC60.

Производни[редактиране | редактиране на кода]

Възможно е присъединяването на алкилови вериги към фулереновата молекула. Известни са и органометални производни. Хетерофулерените са производни на фулерените, при които поне един въглероден атом от клъстера е заменен с друг – B, N, S, Si. Външноописани фулерени са химични съединения, при които атом или атомна група са вкарани във фулерена, обозначавано със символа @: He@C20, U@C28, La@C28.[8]

Синтез[редактиране | редактиране на кода]

При условията на синтез, най-често се получават C60 и C70 в по-значителни количества. Те се разделят като при разтваряне в кипящ бензен и прокарване на сместа през хроматографска колонка от γ-Al2O3. Фракцията от C60 е пурпурнолилава, а от C70 е тъмнооранжева.[1]

Ако при синтезирането на фулерени се добавят няколко процента Ni или Co, се възпрепятства образуването на сферичната структура на фулерена. При подходящи температура и скорост на реакцията, е възможно получаване на въглеродни нанотръбички с един отворен край, а другият съдържа половин фулерен. Те имат диаметър от един до няколко нанометра. Откритието на стабилни фулерени и нанотръби слага началото на нова област на научни изследвания и твърдотелни нанотехнологии с широко практическо приложение.[7][1]

Днес фулерените се синтезират рутинно и се използват широко в науката и нанотехнологиите. Сред тях са и въглеродните нанотръби,[9] въглеродни нанопъпки [10] и въглеродни нановлакна.[11][12]

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. а б в Киркова, Елена. Химия на елементите и техните съединения. София, Университетско издателство „Св. Климент Охридски“, 2013. ISBN 978-954-07-3504-7. с. 176 – 211.
  2. Buseck, P.R. и др. Fullerenes from the Geological Environment // Science 257 (5067). 1992. DOI:10.1126/science.257.5067.215. с. 215–7.
  3. The allotropes of carbon // Архивиран от оригинала на 18 June 2010. Посетен на 29 August 2010.
  4. Cami, J и др. Detection of C
    60
    and C
    70
    in a Young Planetary Nebula // {{{journal}}}. 2 September 2010. DOI:10.1126/science.1192035.
  5. Stars reveal carbon 'spaceballs', BBC, 22 July 2010.
  6. Belkin, A. и др. Self-Assembled Wiggling Nano-Structures and the Principle of Maximum Entropy Production // Sci. Rep. 5. 2015. DOI:10.1038/srep08323. с. 8323.
  7. а б в г д е ж з Лефтеров, Димитър. химичните елементи и техните изотопи. Издателство на БАН „Проф. Марин Дринов“, 2015. ISBN 978-954-322-831-7. с. 58 – 67.
  8. Bruce King, R. Encyclopedia of Inorganic Chemistry [10 Volumes]. Wiley, 2005. ISBN 9780470860786. с. 603 – 625.
  9. Carbon nanotubes: synthesis, structures, properties and applications // Topics in Applied Physics 80. Berlin, Springer, 2001. ISBN 3540410864.
  10. Nasibulin, Albert G. и др. A novel hybrid carbon material // Nature Nanotechnology 2 (3). 2007. DOI:10.1038/nnano.2007.37. с. 156 – 161.
  11. Nasibulin, A и др. Investigations of NanoBud formation // Chemical Physics Letters 446. 2007. DOI:10.1016/j.cplett.2007.08.050. с. 109 – 114.
  12. Vieira, R. Synthesis and characterisation of carbon nanofibers with macroscopic shaping formed by catalytic decomposition of C2H6/H2 over nickel catalyst // Applied Catalysis A 274. 2004. DOI:10.1016/j.apcata.2004.04.008. с. 1 – 8.

Външни препратки[редактиране | редактиране на кода]