Соединения фуллеренов и их свойства

Фуллерены могут образовывать молекулярный кристалл, фуллерит, в котором между отдельными фуллеренами существует слабое ван-дер-ваальсово взаимодействие. Поэтому фуллерит аналогичен кристаллу из атомов инертных газов (аргона, неона), с числом ближайших соседей, равным 12. Кристалл фуллерита имеет плотность 1,7 г/см³, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см³) и алмаза (3,5 г/см³). Синтезированы допириванные кристаллы фуллеренов - фуллериды.

Фуллерен С₆₀ сохраняет стабильность в инертной атмосфере аргона вплоть до температур порядка 1700 К. В присутствии кислорода уже при 500 К наблюдается значительное окисление с образованием оксидов СО и СО₂. В этих условиях кристаллическая решетка фуллерита разрушается. При комнатной температуре окисление происходит при облучении фотонами инфракрасной области спектра. Поэтому чистый фуллерит необходимо хранить в темноте.

Кристаллические фуллерены и пленки представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,2-1,9 эВ и обладают фотопроводимостью.

Недавно получены пленки полифуллерена, в которых молекулы С₆₀ связаны между собой не ван-дер-ваальсовым взаимодействием, как в кристалле фуллерита, а химическим. Эти пленки, обладающие пластическими свойствами, являются новым типом полимерного материала.

Фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различной структурой и физико-химическими свойствами. В последние годы появился даже термин «химия фуллеренов», определяющий новое направление в органической химии. Молекулы фуллеренов, в которых между атомами углерода существуют как одинарные, так и двойные связи, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокой электроотрицательностью, они проявляют себя в химических реакциях как сильные окислители.

Уже в первой публикации исследователи, открывшие фуллерены, предполагали возможность помещать внутрь этих полых молекул разные атомы («гостей»). Почти сразу после открытия фуллеренов Смолли и Крото получили соединение, которое обозначается La@С₆₀: атом лантана внутри фуллерена С₆₀. Этот опыт подтвердил, что С₆₀ - полая структура. В настоящее время известно, что более трети элементов периодической таблицы Менделеева могут стать «гостем» фуллеренов. Имеются сообщения о внедрении атомов лантана, никеля, натрия, калия, рубидия, цезия, атомов редкоземельных элементов (тербия, гадолиния и диспрозия). Наномолекулы с внедренными атомами получили название эндоэдральных.

Методы получения фуллеренов

Оказалось, что вместо сложного способа получения фуллеренов с использованием мощного лазера (как это было в первых работах Крото и Смолли), их можно получать, причем в большом количестве, испаряя графит в электрической дуге в атмосфере гелия. Дуговой метод получения фуллеренов получил название «фуллереновая дуга».

Гелий играет роль «буферного» газа. Атомы гелия эффективно «гасят» колебательные движения возбужденных углеродных фрагментов (забирают часть кинетической энергии), мешающее объединению отдельных фрагментов в устойчивые фуллереновые структуры. Кроме того, атомы гелия уносят энергию, выделяющуюся после такого объединения. Этот достаточно простой метод получения фуллеренов (и нанотрубок) позволил заняться их исследованием во многих лабораториях мира и послужил основой промышленного их получения.