ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОЛУЧЕНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ

2. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СИМЕТРИИ ФУЛЛЕРЕНОВ

3. ФУЛЛЕРЕНЫ И ГИДРИДОФУЛЛЕРЕНЫ КАК ПРОДУКТЫ ТРАНСФОРМАЦИИ (ПОЛИКОНДЕНСАЦИИ) МОЛЕКУЛ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ

4. ХИМИЯ ФУЛЛЕРЕНОВ

5. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ГРАФЕНА В ФУЛЛЕРЕН

6. СВОЙСТВА ФУЛЛЕРЕНОВ

7. ПРИМЕНЕНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

АННОТАЦИЯ

Не так давно была открыта молекула фуллерена в 1973 г. Фуллерен – это сферическая молекула, состоящая из атомов углерода. Он классифицируется на тетраэдрические и икосаэдрические фуллерены. Получают фуллерен с помощью термического разложения графита. В химии фуллеренов подробно рассмотрены комбинация фуллерена с представителями множества известных классов веществ. Основные свойства – это растворимость, фотопроводимость, высокая электроотрицательность. Применяют фуллерен для создания фотоприемников, электродов аккумуляторов; для получения ферромагнитных материалов, сверхпроводников, ограничителей интенсивности и т.д.

ВВЕДЕНИЕ

Открытие фуллеренов[1] – новой формы существования одного из самых распространенных элементов на Земле – углерода, признано одним из удивительных и важнейших открытий в науке XX столетия. Несмотря на давно известную уникальную способность атомов углерода связываться в сложные, часто разветвленные и объемные молекулярные структуры, составляющую основу всей органической химии, фактическая возможность образования только из одного углерода стабильных каркасных молекул все равно оказалось неожиданной. Экспериментальное подтверждение того, что молекулы подобного типа, состоящие из 60 и более атомов, могут возникать в ходе естественно протекающих в природе процессов, произошло в 1985 г. И задолго до этого некоторые авторы предполагали стабильность молекул с замкнутой углеродной сферой. Однако эти предположения носили сугубо умозрительный, чисто теоретический характер. Вообразить, что такие соединения могут быть получены путем химического синтеза, было довольно трудно. Поэтому данные работы остались незамеченными, и внимание на них было обращено только задним числом, уже после экспериментального обнаружения фуллеренов. Новый этап наступил в 1990 г., когда был найден метод получения новых соединений в граммовых количествах, и описан метод выделения фуллеренов в чистом виде. Очень скоро после этого были определены важнейшие структурные и физико-химические характеристики фуллерена С60 - наиболее легко образующегося соединения среди известных фуллеренов. За свое открытие – обнаружение углеродных кластеров состава C60 и C70 – Р. Керл, Р. Смолли и Г. Крото в 1996 г. были удостоены Нобелевской премии по химии. Ими же и была предложена структура фуллерена C60 [[1]].

Цель: провести литературный обзор по фуллеренам, рассмотреть их свойства и применение.

1. ПОЛУЧЕНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита на рис. 1показана схема установки для получения фуллеренов, которую использовал В.Кретчмер. Распыление графита осуществляется при пропускании через электроды тока с частотой 60 Гц , величина тока от 100 до 200 А, напряжение 10–20 В. Регулируя натяжение пружины, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в дуге, а не в графитовом стержне. Камера заполняется гелием, давление 100 Тор. Скорость испарения графита в этой установке может достигать 10г/В. При этом поверхность медного кожуха, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, т.е. графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, то получается темно-бурая жидкость. При выпаривании ее во вращающемся испарителе получается мелкодисперсный порошок, вес его составляет не более 10% от веса исходной графитовой сажи, в нем содержится до 10% фуллеренов С60 (90%) и С70 (10%).Описанный дуговой метод получения фуллеренов получил название «фуллереновая дуга».

В описанном способе получения фуллеренов гелий играет роль буферного газа. Атомы гелия наиболее эффективно по сравнению с другими атомами «тушат» колебательные движения возбужденных углеродных фрагментов, препятствующих их объединению в стабильные структуры. Кроме того, атомы гелия уносят энергию, выделяющуюся при объединении углеродных фрагментов. Опыт показывает, что оптимальное давление гелия находится в диапазоне 100 Тор. При более высоких давлениях агрегация фрагментов углерода затруднена.

Изменение параметров процесса и конструкции установки ведет к изменению эффективности процесса и состава продукта. Качество продукта подтверждается как масс-спектрометрическими измерениями, так и другими методами (ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, ИК-спектроскопия и др.) [[2]].

2. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СИМЕТРИИ ФУЛЛЕРЕНОВ

Тетраэдрические фуллерены

Группа симметрии Td включает четыре оси третьего порядка, три оси второго порядка, шесть плоскостей симметрии и т.д. – двадцать четыре элемента. К этой группе относятся такие фуллерены, как С28, С40, С76 и др.

Рис. 2. Базовый многогранник: тетраэдр для фуллеренов тетраэдрической группы симметрии

Для нахождения структурного элемента фуллеренов этой группы симметрии необходимо найти наименьшую часть тетраэдра, которую нужно задать для воссоздания геометрии всего тетраэдра. Такой частью является треугольник ABC.

Классификация тетраэдрических фуллеренов

Пентагоны могут располагаться вершинами внутрь этого треугольника АВС или вершинами наружу (ребрами внутрь). Это позволяет выделить две группы топологических моделей тетраэдрических фуллеренов: A и B.

Таким образом, введены последовательности Am и Bm, где m – количество гексагонов между соседними пентагонами

Между соседними пентагонами может располагаться несколько (от нуля до бесконечности) гексагонов (для любых двух смежных пентагонов в силу симметрии число гексагонов должно быть одинаковым). Для конфигурации A это может быть нуль гексагонов (обозначим как конфигурацию A1), один гексагон (обозначим как конфигурацию A2) и т.д.; для конфигурации B может быть один гексагон (конфигурация B1), два гексагона (конфигурация B2).

Набор пентагонов может располагаться относительно грани базового тетраэдра двумя способами: пентагонами он может быть направлен в сторону вершин грани тетраэдра или в сторону середины ребра той же грани. Обозначим первый способ расположения как a, а второй – как b. Расстояние между соседними наборами на поверхности тетраэдра может быть различным – его мы будем задавать целым положительным индексом n при символе a или b. В итоге получаем символические формулы тетраэдрических фуллеренов Aman, Akbn и Вkbn.