フラーレンとその種類

フラーレンは 炭素の同素体であり、その分子は単結合および二重結合で結合した炭素原子で構成され、5 ～ 7 個の原子の縮合環を持つ閉じたまたは部分的に閉じたネットワークを形成します。分子は、中空の球、楕円体、管、またはその他の多くの形状やサイズにすることができます。グラフェン (グラファイトの孤立した原子層) は、正六角形のリングの平面グリッドであり、このファミリーの極端なメンバーと見なされます。閉格子トポロジーを持つフラーレンは、非公式には経験式 Cn で表され、通常は Cn と書きます。n は炭素原子の数です。ただし、n の特定の値では、複数の異性体が存在する可能性があります。

このファミリーは、最も有名なメンバーであるバックミンスターフラーレン (C60) にちなんで命名され、C60 もバックミンスターフラーにちなんで命名されています。ブロックされたフラーレン、特に C60 は、サッカー協会の標準ボール (「サッカー フットボール」) に似ているため、非公式にはバッキーボールとも呼ばれます。入れ子状の閉じたフラーレンはバッキーオニオンと呼ばれます。円筒形のフラーレンはカーボン ナノチューブまたはバッキーチューブとも呼ばれます。純粋なフラーレンまたは混合フラーレンのバルク固体形態はフラーレンと呼ばれます。

フラーレンは以前から予測されていましたが、1985 年に偶然合成されるまで、自然界や宇宙空間で発見されませんでした。フラーレンの発見により、以前はグラファイト、ダイヤモンド、すすや木炭などの非晶質炭素に限定されていた既知の炭素同素体の数が大幅に拡大されました。フラーレンは、化学と技術的応用の両方、特に材料科学、エレクトロニクス、ナノテクノロジーの分野で集中的な研究の対象となっています。

種類

フラーレンには、閉じたバッキーボールと開いた円筒形のカーボン ナノチューブという、異なる特性と用途を持つ 2 つの主要なファミリーがあります。ただし、これら 2 つのクラスの間には、半球状のメッシュで覆われたカーボン ナノバッド ナノチューブ、またはより大きな「バッキー バド」などのハイブリッド構造が存在します。

バックミンスターフラーレン

バックミンスターフラーレンは、五角形と六角形の環を含む最小のフラーレン分子で、エッジを共有する 2 つの五角形はありません (ペンタジエンのように不安定になる可能性があります)。また、すすの中によく見られるため、自然発生の点で最も一般的です。

バックミンスターフラーレンの実験式は C です。

60、その構造は切頂二十面体で、20 個の六角形と 12 個の五角形からなる結合サッカー ボールに似ており、各多角形は頂点に炭素原子を持ち、各多角形にはエッジがあります。バックミンスターフラーレン分子のファンデルワールス直径は約 1.1 ナノメートル (nm) です。バックミンスターフラーレン分子のコア直径は約 0.71 nm です。バックミンスターフラーレン分子には 2 つの結合長があります。6:6 環結合 (2 つの六角形の間) は「二重結合」とみなすことができ、6:5 環結合 (六角形と五角形の間) よりも短くなります。その平均結合長は 1.4 Å です。

その他のフラーレン

もう 1 つのかなり一般的なフラーレンは実験式 C 70 を持ちます。しかし、通常は 72、76、84、または最大 100 個の炭素原子を持つフラーレンが得られます。可能な最小のフラーレンは十二面体 C 20 です。頂点が 22 個のフラーレンは存在しません。異なるフラーレン C2n の数は、n = 12、13、14 と増加し、n9 にほぼ比例します (OEIS の配列 A007894)。たとえば、非同形フラーレン C 60 は 1812 個あります。C 60 の形態は、隣接する五角形のペアを持たないバックミンスターフラーレン (このようなフラーレンの中で最も小さい) 1 つだけであることに注意してください。さらに増加を説明すると、非同形フラーレン C 200 は 214,127,713 個あり、そのうち 15,655,672 個には隣接する五角形がありません。五角形。多くのフラーレン異性体の最適化された構造がオンラインで公開およびリストされています。

ヘテロフラーレンは、かごまたはチューブ構造内の炭素をヘテロ原子で置き換えています。1993 年に発見されたヘテロフラーレンは、フラーレンのクラス全体を大幅に拡大し、表面にダングリングボンドを持つことができます。注目すべき例には、ホウ素、窒素 (アザフラーレン)、酸素、リンの誘導体が含まれます。

カーボンナノチューブ

カーボン ナノチューブは円筒形のフラーレンです。これらのカーボン チューブの幅は通常わずか数ナノメートルですが、長さは 1 ミクロン未満から数ミリメートルまでさまざまです。通常は端が閉じていますが、開いていることもあります。閉じる前にチューブの直径が減少する場合もあります。その独特の分子構造により、高い引張強度、高い導電性、高い延性、高い熱伝導性、および相対的な化学的不活性などの並外れた巨視的特性が得られます（カーボン ナノチューブは円筒形で「平面」、つまり「露出した」原子がなく、容易に置換されます)。2007 年にレンセラー工科大学の研究者によって開発されたカーボン ナノチューブの提案された用途の 1 つは、紙電池です。宇宙技術におけるもう一つの用途として広く推測されているのは、宇宙エレベーターに必要な高強度炭素ケーブルの製造です。