Свойства фуллерена

Топология

Комбинаторная топология (т.е. атомы углерода и связи между ними без учета их положений и расстояний) замкнутой оболочки фуллерены с простыми сферическими средними поверхностями (ориентируемые, род нулевой) можно представить в виде выпуклого многогранника А; точнее, его одномерный скелет, состоящий из его вершин и ребер. Граф Шлегеля — это проекция скелета на грань многогранника через точку вне грани; так что все остальные вершины проецируются на грань. Графы Шлегеля замкнутых фуллеренов плоские и 3-правильные (или «кубические»; это означает, что все вершины имеют степень 3). Замкнутые фуллерены со сферическими оболочками должны иметь хотя бы несколько пятиугольных или семиугольных циклов. Точнее, если все грани имеют 5 или 6 сторон, согласно формуле многогранника Эйлера V−E + F = 2. (где V, E, F — количество вершин, ребер и граней), должен быть четным и иметь ровно 12 пятиугольников и V/2–10 шестиугольников. Аналогичное ограничение существует, если фуллерен имеет семиугольный (семь атомов) цикл. Открытые фуллерены, такие как углеродные нанотрубки и графен, могут состоять полностью из шестиугольных колец. Теоретически длинные нанотрубки, соединенные на обоих концах, образуют закрытые кольцеобразные листы. также мог полностью состоять из шестиугольников.

Связывать

Поскольку каждый атом углерода связан только с тремя соседними атомами углерода вместо обычных четырех, эти связи принято описывать как смесь одинарных и двойных ковалентных связей. О карбогибридизации в C60 сообщается как sp2.01. Состояние связи можно анализировать с помощью рамановской спектроскопии, инфракрасной спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Упаковка

Дополнительные атомы, ионы, кластеры или небольшие молекулы могут попасть в ловушку внутри фуллерена, образуя клатраты, называемые интеркалированными фуллеренами. Необычным примером является фуллерен 84 яйцеобразной формы , который нарушает правило изолированности Пентагона. Обнаружены доказательства ударов метеоритов в конце Пермского периода путем анализа благородных газов, захваченных фуллеренами.

Исследовать

В начале 2000-х химические и физические свойства фуллеренов были горячей темой исследований и разработок. В журнале Popular Science обсуждается возможное использование фуллеренов (графена) в броне. Теплостойкость и сверхпроводимость являются одними из наиболее изученных свойств в области нанотехнологий. Многие расчеты были выполнены с использованием квантовых методов ab initio, примененных к фуллеренам. ИК, рамановские и УФ-спектры могут быть получены методами DFT и TD-DFT. Результаты этого расчета можно сравнить с экспериментальными результатами. Фуллерены являются необычными реагентами во многих органических реакциях, таких как реакция Бингера, открытая в 1993 году.

Ароматность

Исследователям удалось повысить реакционную способность фуллеренов, прикрепив к их поверхности реактивные группы. Бакминстерфуллерен не проявляет «суперароматичности»: то есть электроны в гексагональных кольцах не делокализованы поперек молекулы. Сферические фуллерены из n атомов углерода имеют n пи-связывающих электронов и могут свободно делокализоваться. Они должны попытаться делокализоваться по всей молекуле. Квантовая механика такого расположения должна быть подобна оболочке хорошо известной квантово-механической структуры одиночного атома со стабильной заполненной оболочкой n = 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, 128 и т. д. (т.е. дважды совершенные квадраты), но этот ряд не включает 60. Правило сферической ароматичности 2(N + 1)2 (N целое число) является трехмерным аналогом правила Хюккеля. Катионы 10+ удовлетворяют этому правилу и должны быть ароматическими. Это было показано с помощью квантово-химических моделей, которые показывают наличие сильных диамагнитных шариковых токов в катионах.  В результате C. 60 в воде имеет тенденцию поглощать еще два электрона и становиться анионом.  60 Попытки образовать рыхлый металл облигации.