Фуллерены
Самое твердое вещество в природе - алмаз Это углеродное соединение имеет
Кристаллическую решетку в форме тетраэдра - пирамиды с четырьмя равновеликими
Треугольными гранями Его вершины образованы
Четырьмя атомами углерода. Треугольник - очень жесткая фигура его можно сломать,
Но деформировать или смять нельзя. Именно поэтому прочность алмаза столь высока.
В природе известны кристаллы с решеткой, состоящей не из атомов, а из молекул.
Если молекулы достаточно велики и связи между ними сильны, то кристаллическая
Решетка оказывается чрезвычайно прочной. Этим условиям
В полной мере отвечают фуллерены: имея диаметр больше 0,5 нм, они соединяются в
Кристалл с ячейками размером менее 1,5 нм.
Как это часто бывает, открытие фуллеренов не стало результатом целенаправленного
Поиска. Основное направление работ в лаборатории Е. Смолли в Университете Раиса
Техаса, где в 1980-е годы было сделано от-1 крытие, связанное с исследованиями
Структуры металлических кластеров. Методика подобных исследований основана на
Измерении масс-спектров частиц, которые образуются в результате интенсивного
Воздействия лазерного излучения на поверхность исследуемого материала.
"В августе 1985 года в лабораторию Смолли приехал известный астрофизик Г. Крото,
- пишет Александр Валентинович Елецкий в "Соросовс-ком образовательном журнале",
- который работал над проблемой отождествления спектров инфракрасного излучения,
Испускаемого некоторыми межзвездными скоплениями. Одно из возможных решений этой
Проблемы, достаточно давно стоявшей в астрофизике, могло быть связано с
Кластера-1 ми углерода, который, как известно, составляет основу межзвездных
Скоплений. Целью визита Крото в Техас была попытка, воспользовавшись аппаратурой
Лаборатории Смолли, по масс-спектру кластеров углерода получить заключение об их
Возможной структуре. Результаты экспериментов привели в шоковое состояние его
Участников. В то время как для большинства исследованных ранее кластеров
Типичные значения магических чисел составляют в зависимости от взаимного
Расположения атомов значения 13, 19, 55 и т. п., в масс-спектре кластеров
Углерода наблюдались явно выраженные пики с числом атомов 60 и 70. Единственным
Непротиворечивым объяснением такой особенности кластеров углерода явилась
Гипотеза, согласно которой атомы углерода образуют стабильные замкнутые
Сферические и сфероидальные структуры, впоследствии названные фуллеренами".
Эта гипотеза, подтвержденная в дальнейшем более детальными исследованиями, по
Существу и легла в основу открытия фуллеренов Публикация о первых наблюдениях
Фуллеренов была направлена в журнал "Nature" уже через 20 дней после приезда
Крото в Техас. В этой статье помимо предположения о сфероидальной форме
Фуллеренов содержались идеи о возможности существования эндоэдральных молекул
Фуллеренов, то есть молекул, внутри которых заключены один или несколько атомов
Другого элемента. Дальнейшие исследования подтвердили и это предположение.
Расстояние между молекулами в таких кристаллах меньше, чем расстояние между
Атомами в решетке алмаза. Кроме того, в ячейках обоих видов есть "особый"
Фуллерен, взаимодействующий с остальными через 12- 16 очень коротких и сильных
Межмолекулярных связей. Все это и определяет необычайную твердость
Кристаллического фуллерита: она в два-три раза выше твердости алмаза.
За открытие фуллеренов Е. Крото, Е. Смолли и Е. Керл были удостоены Нобелевской
Премии по химии.
Подлинный бум в исследованиях фуллеренов начался в 1990 году. Это произошло
После того, как немецкий астрофизик В. Кретчмер и американский исследователь Д.
Хафман разработали технологию получения фуллеренов в достаточных количествах.
Технология основана на термическом распылении электрической дуги с графитовыми
Электродами и последующей экстракции фуллеренов из продуктов распыления с
Помощью органических растворителей, например, бензола, толуола. Новая технология
Позволила многочисленным научным лабораториям исследовать фуллерены не только в
Молекулярной форме, но также и в кристаллическом состоянии. В результате были
Сделаны новые открытия. Так, в 1991 году американские ученые обнаружили
Сверхпроводимость фуллереновых кристаллов, легированных атомами щелочных
Металлов, с критической температурой от 18 до 40 градусов Кельвина в зависимости
От сорта щелочного металла. И по сегодняшний день исследования и разработки в
Области фуллеренов являются одним из приоритетных направлений мировой науки и
Технологии. Подобная популярность связана с удивительными физико-химическими
Свойствами фуллеренов, открывающими возможность их прикладного использования.
Молекулы фуллеренов обладают высокой электроотрицательностью. Они способны
Присоединять к себе до шести свободных электронов. Это делает фуллерены сильными
Окислителями. Они способны образовывать множество новых химических соединений с
Новыми интересными свойствами. В состав химических соединений фуллеренов, входят
Шестичленные кольца углерода с одинарными и двойными связями. Поэтому можно
Рассматривать их как трехмерный аналог ароматических соединений. Кристаллы
Фуллеренов представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1-2 эВ.
Они обладают фотопроводимостью при облучении видимым светом.
"Широк круг возможных технологических применений фуллеренов, - пишет Езерский. -
Так, использование фуллеренов в качестве присадки к смазочному маслу существенно
(до 10 раз) снижает коэффициент трения металлических поверхностей и
Соответственно повышает износостойкость деталей и агрегатов. Активно
Разрабатываются также другие возможности массовых применений фуллеренов,
Связанные, в частности, с созданием нового типа аккумуляторных батарей, не
Подверженных в отличие от традиционно используемых батарей на основе лития
Разрушению электродов. Особого внимания заслуживает проблема использования
Фуллеренов в медицине и фармакологии. Одна из основных трудностей, стоящих на пути успешного
Решения этой задачи, связана с созданием водорастворимых нетоксичных соединений
Фуллеренов, которые могли бы вводиться в организм человека и доставляться с
Кровью в орган, подлежащий терапевтическому воздействию. Широко обсуждается в
Литературе идея создания противораковых медицинских препаратов на основе
Водорастворимых эндоэдральных соединений фуллеренов (молекулы фуллеренов, внутри
Которых помещен один или несколько атомов какого-либо элемента) с внедренными
Внутрь структуры фуллеренов радиоактивными изотопами. Введение такого лекарства
В ткань позволит избирательно воздействовать на пораженные опухолью клетки,
Препятствуя их дальнейшему размножению".
