Топологические модели тетраэдрических фуллеренов

Икосаэдрические фуллерены

В Ih-группу симметрии входят 6 осей симметрии пятого порядка, 10 осей третьего порядка, 15 осей второго порядка; 15 плоскостей симметрии и др. Всего – 120 элементов, включая тождественное преобразование.

При различных преобразованиях симметрии точка, лежащая внутри треугольника ABC, преобразуется в 120 точек; если точка лежит на стороне треугольника ABC – в 60 точек. Вершина A переходит в 12 соответствующих ей точек (они являются вершинами икосаэдра), вершина B – в 30 (середины ребер икосаэдра), вершина C – в 20 точек (вершины додекаэдра или центры граней икосаэдра).

Соседние пентагоны могут располагаться в фуллерене двумя способами: они могут быть обращены друг к другу 1) гранями и 2) вершинами. Это позволяет нам ввести две топологические модели икосаэдрических фуллеренов: A и B.

Соседние пентагоны могут располагаться в фуллерене двумя способами: они могут быть обращены друг к другу 1) гранями и 2) вершинами. Это позволяет нам ввести две топологические модели икосаэдрических фуллеренов: A и B.

Для фуллеренов конфигурации An число атомов задается следующим выражением: N = 20 n2, для конфигурации Bn – N = 60 n2 [[3]].

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

Обнаружение и изучение еще вчерашних активированных комплексов нанофаз позволяет более аргументировано высказать суждение о механизмах протекания многих реакций, в частности, реакций зарождения и роста сфероидальных молекул углерода. В целом доминировала гипотеза, что главным элементом построения как фуллеренов, так и УН являются атомы углерода, генерируемые либо при сверхвысоких температурах (> 4000 °С) испарения графита, либо при каталитической деструкции молекул углеводородов. Считается, что при испарении графита часть генерируемых атомов (или жидких кластеров) углерода осаждается на поверхности частичек металла с последующим участием их в построении УН. Из образующихся линейных углеродных кластеров, могут расти более устойчивые кольцевые кластеры C10 как прекурсоры образования жидких (или аморфных) кластеров низшего фуллерена C36, а затем и более устойчивых C60 и C70. В процессе пиролиза, как принято считать, генерируемые при деструкции молекул углеводорода атомы углерода локализованы на поверхности каталитически активной наночастицы расплава, которая и является составной частью образующейся УН.

Согласно механизму, основным элементом построения углеродных молекул и наноструктур является молекула бензола или его гомологи: этилен, ацетилен, а также метан в качестве наиболее используемых прекурсоров легко превращаются в бензол. Частичка металла лишь активирует молекулы бензола, способные к образованию дифенила с последующим наращиванием новых C−C - связей с другими молекулами углеводорода. Плавление наночастички металла обеспечивается теплотой высокоэкзотермичного процесса образования связей C−C в графеновой сетке. Кривизна графеновой сетки создается за счет sp3-гибридизации углерода в активированной молекуле бензола. В дальнейшем многими авторами было показано, что в условиях пиролиза различных углеводородов могут формироваться и наноразмерные (< 20 нм) анионы. Центром зарождения шарообразных наноструктур, несомненно, является молекула фуллерена и потому можно предположить, что молекула фуллерена в процессе роста анионов из молекул ароматических углеводородов является не столько переходным, активированным комплексом, сколько промежуточным соединением.

Впервые также установлено, что при определенных реакционных условиях термическое превращение ароматических углеводородов, в частности бензола и толуола, может осуществляться с образованием длинных (иногда > 50 мм) прозрачных, окрашенных в самые разнообразные цвета нитевидных кристаллов (диаметром до 70 мкм).

В соответствии с данными экспериментальными результатами полагается, что синтез фуллеренов из ароматических углеводородов также вполне возможен при изменении не только реакционных условий процесса пиролиза, но и состава исходных реагирующих веществ. Хотя при этом следует учитывать, что в восстановительной, водородсодержащей атмосфере образование гидридофуллеренов может быть наиболее предпочтительным. Следовательно, если формирование молекул углерода осуществляется, действительно, за счет дегидрогенизационной полимиризации (поликонденсации) молекул ароматических углеводородов, то необходимо создавать реакционные условия, облегчающие этот процесс.

В данном сообщении представлены результаты, показывающие, что термическое превращение ароматических углеводородов может действительно сопровождаться образованием не только углеродных нанотрубок и анионов, но и фуллеренов, и гидридофуллеренов. Для получения столь необычных результатов процесс превращения ароматических углеводородов, обычно используемый для получения УН и анионов, был несколько модифицирован. Реакционная парообразная смесь преимущественно из ароматического углеводорода подвергалась термическому превращению при температурах выше 400 С. Варьировалась также скорость подачи реагентов, их содержание в потоке газа носителя.

Изучение морфологии изотропных и анизотропных частиц, содержащихся в пиролитическом продукте, полученном при разных режимах процесса, показало, что углеродные структуры могут приобретать чрезвычайно разнообразные и необычные морфологии. Здесь представлены не только наиболее оригинальные, редко встречающиеся морфологии углеродных нанотрубок, анионов, тороидов и волокон (рис. 4, 5).

Эти морфологии демонстрируют, что их построение в соответствии с ПЖТ механизмом практически не возможно. Прежде всего, как можно видеть (см. рис. 4), длинные многослоевые трубчатые структуры диаметром до 6 мкм растут в виде петли, замыкаясь обоими концами на стенке керамичекого реактора. При разломе такой многослоевой структуры отчетливо просматривается сердцевина, которая, вероятно, и является нанотрубкой. На конце длинного волокна с ярко выраженной по всей ее длине полой сердцевиной отсутствует какая-либо металлсодержащая частица, тогда как многослоевая нанотрубка в виде кресло - не только уникальная структура, но и содержит в своем объеме две расплавленные металлические наночастицы. Однако рост и скручивание графеновых слоев, как видно, происходит на свободном от металла ее конце и, что удивительно, с вогнутостью во внутрь нанотрубки.