Фуллерен и его виды

Фуллерены — это аллотропы углерода, молекулы которых состоят из атомов углерода, соединенных одинарными и двойными связями, образующими замкнутую или частично замкнутую сеть со сросшимися кольцами из пяти-семи атомов. Молекулы могут представлять собой полые сферы, эллипсоиды, трубки или многие другие формы и размеры. Графен (изолированные атомные слои графита) представляет собой плоскую сетку правильных шестиугольных колец и может рассматриваться как крайний член этого семейства. Фуллерены с топологией закрытой решетки неофициально обозначаются их эмпирической формулой Cn, обычно записываемой Cn, где n — количество атомов углерода. Однако при определенных значениях n может существовать более одного изомера.

Семейство названо в честь самого известного члена, бакминстерфуллерена (C60), который, в свою очередь, назван в честь бакминстерфуллера. Блокированные фуллерены, особенно C60, также неофициально известны как бакиболы из-за их сходства со стандартным мячом Футбольной ассоциации («футбольный футбол»). Вложенные закрытые фуллерены называются бакки-луками. Цилиндрические фуллерены также известны как углеродные нанотрубки или баки-трубки. Объемные твердые формы чистых или смешанных фуллеренов называются фуллеренами.

Фуллерены были предсказаны в течение некоторого времени, но они не были обнаружены в природе и в космическом пространстве до их случайного синтеза в 1985 году. Открытие фуллеренов значительно расширило число известных аллотропов углерода, которые ранее ограничивались графитом, алмазом и аморфными углеродами, такими как сажа и древесный уголь. Они были предметом интенсивных исследований, как в химии, так и в технических приложениях, особенно в области материаловедения, электроники и нанотехнологий.

Типы

Существует два основных семейства фуллеренов с разными свойствами и применением: закрытые баки-шарики и открытые цилиндрические углеродные нанотрубки. Однако между этими двумя классами существуют гибридные структуры, такие как углеродные нанотрубки, покрытые полусферической сеткой, или более крупные «баки-почки».

Бакминстерфуллерен

Бакминстерфуллерен — наименьшая молекула фуллерена, содержащая пятиугольные и гексагональные кольца, в которых никакие два пятиугольника не имеют общего края (что может быть нестабильным, как пентадиен). Он также является наиболее распространенным с точки зрения естественного происхождения, так как его часто можно обнаружить в саже.

Эмпирическая формула бакминстерфуллерена: C.

60, его структура представляет собой усеченный икосаэдр, подобный объединенному футбольному мячу, состоящему из двадцати шестиугольников и двенадцати пятиугольников, каждый многоугольник имеет в вершине атом углерода и каждый многоугольник имеет ребро. Есть ключ. Диаметр Ван-дер-Ваальса молекулы бакминстерфуллерена составляет около 1,1 нанометра (нм). Диаметр ядра молекулы бакминстерфуллерена составляет около 0,71 нм. Молекулы бакминстерфуллерена имеют две длины связи. Кольцевую связь 6:6 (между двумя шестиугольниками) можно считать «двойной связью», и она короче кольцевой связи 6:5 (между шестиугольником и пятиугольником). Средняя длина его связи составляет 1,4 Å.

Другие фуллерены

Другой довольно распространенный фуллерен имеет брутто-формулу С 70. Но обычно получают фуллерены с 72, 76, 84 и даже до 100 атомами углерода. Наименьшим возможным фуллереном является додекаэдрический C 20. Фуллерена с 22 вершинами не существует. Число различных фуллеренов C2n увеличивается с n = 12, 13, 14, примерно пропорционально n9 (последовательность A007894 в OEIS). Например, существует 1812 неизоморфных фуллеренов C 60. Обратите внимание, что существует только одна форма C 60, бакминстерфуллерен, без пары соседних пятиугольников (самый маленький из таких фуллеренов). пятиугольники . Оптимизированные структуры многих изомеров фуллеренов опубликованы и перечислены в Интернете.

Гетерофуллерены имеют гетероатомы, заменяющие углерод в клеточных или трубчатых структурах. Обнаруженные в 1993 году, они значительно расширяют весь класс фуллеренов и могут иметь оборванные связи на своей поверхности. Яркие примеры включают производные бора, азота (азафуллерены), кислорода и фосфора.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические фуллерены. Эти углеродные трубки обычно имеют ширину всего несколько нанометров, но их длина может варьироваться от менее микрона до нескольких миллиметров. Обычно они имеют закрытые концы, но также могут быть открытыми. Также бывают случаи, когда трубка уменьшается в диаметре перед закрытием. Их уникальная молекулярная структура приводит к исключительным макроскопическим свойствам, включая высокую прочность на разрыв, высокую электропроводность, высокую пластичность, высокую теплопроводность и относительную химическую инертность (поскольку она цилиндрическая и «плоский», то есть не имеющий «открытых» атомов, легко замещается). Одно из предложенных вариантов использования углеродных нанотрубок, разработанное исследователями из Политехнического института Ренсселера в 2007 году, — это бумажные батарейки. Еще одним широко обсуждаемым применением в космических технологиях является производство высокопрочных углеродных кабелей, необходимых для космических лифтов.