В эндометаллофуллеренах газокинетический размер инкапсулированного атома значительно меньше внутреннего размера фуллереновой оболочки. Отсюда возникает вопрос о положении атома внутри углеродного кластера. Исследования показали, что смещение металла относительно геометрического центра молекулы, связано с передачей валентных электронов от инкапсулированного атома на внешнюю поверхность фуллереновой оболочки и возникающим сильным электростатическим взаимодействием образующегося при этом положительного иона с отрицательно заряженной оболочкой.

Смещение равновесного положения инкапсулированного атома относительно геометрического центра фуллереновой оболочки определяет наличие у таких молекул довольно значительного постоянного дипольного момента. Так, согласно оценке, выполненной авторами работы [13], дипольный момент молекулы Y@C82 составляет 2,5 D. Значение дипольного момента молекулы La@C82 оценивается 3¸4 D [35]. Наличие у эндоэдральных металлофуллеренов постоянного дипольного момента придает материалам на основе этих соединений особые свойства, связанные с возможной ориентацией молекул в кристалле и возникновением постоянной поляризуемости. Такие кристаллы должны обладать сегнетоэлектрическими свойствами и могут найти интересные применения в электронных устройствах.

Перестройка электронной структуры эндоэдральных металлофуллеренов, связанная с переходом валентных электронов металла на внешнюю по отношению к оболочке область, отражается на таких электронных характеристиках молекулы фуллерена, как ее потенциал ионизации и сродство к электрону. Это можно проиллю­стрировать результатами квантово-химических расчетов [36], представленными в таблице 2. Как видно, инкапсулирование атома металла в молекулу фуллерена, с одной стороны, приводит к снижению потенциала ионизации, с другой стороны, энергия сродства эндоэдралов заметно выше, чем пустых фуллеренов.

Таблица 2.

Потенциал ионизации IP, сродство к электрону EA эндоэдральных и полых фуллеренов.

Основные отличия эндоэдральных металлофуллеренов от полых фуллереновых молекул связаны с двумя главными особенностями их структуры. Первая из этих особенностей обус­ловлена нецентральным положением инкапсулирован­ного атома металла в клетке фуллерена, вследствие чего молекула эндоэдрального фуллерена имеет постоянный дипольный момент, наличие которого сказывается на макроскопических характеристиках соответствующего фуллерита. Потенциал взаимодействия молекул, обла­дающих дипольным моментом, не является сферически симметричным, поэтому составленный из таких молекул кристалл должен обладать сильно выра­женными анизотропными свойствами. Вторая особен­ность связана с зарядовым состоянием инкапсулирован­ного атома и с переходом валентных электронов от этого атома на внешнюю поверхность молекулы фуллерена. Наличие электронов на наружной поверхности фуллереновой оболочки определяет характер межмолекулярного взаимодействия в кристалле, в которое наряду с ван-дер-ваальсовым дает определенный вклад и ковалентный механизм.

Постоянный дипольный момент молекул эндоэдральных металлофуллеренов обусловливает несфериче­ский характер их взаимодействия между собой. Это, в свою очередь, способствует образованию протяженных структур (агрегатов), содержащих некоторое количе­ство подобных молекул. О прямом наблюдении подоб­ных структур сообщалось, в частности, в работе [13], где с помощью сканирующего туннельного микро­скопа, оснащенного полевым ионным микроскопом, изучалось поведение молекул Y@C82 на поверхности Cu(111), имеющей плотность дефектов менее 0,1%. Наблюдения проводились в условиях вакуума глуби­ной 6´10-11 Торр. Как следует из результатов наблю­дений, выполненных с помощью STM, молекулы на поверхности подложки сохраняют подвижность и имеют тенденцию к адсорбции на краях террасы, образованной на поверхности. Это отличает медную подложку от кремниевой Si(111) и Si(100), на которой положения молекул эндофуллеренов фиксированы. Эндофуллерены Y@C82 на поверхности подложки образуют кла­стеры (Y@C82)n (n=2¸6), в частности димеры, даже на самой начальной стадии напыления, когда поверхност­ная плотность молекул весьма невелика. Показано, что расстояние между молекулами в димере (1,12 нм) меньше, чем соответствующее ван-дер-ваальсово значе­ние (1,18 нм). Это указывает на наличие сильного, не ван-дер-ваальсова взаимодействия между молекулами димера, которое связано с дипольным моментом (~ 2,5 Д). Тем самым эндоэдральные фуллерены про­являют способность к ориентационному выстраиванию, что придает кристаллам на их основе анизотропные свойства, и делает их перспективным материалом с точки зрения приложений.

Как известно [37], фуллеренам присущ фазовый переход ориентационного разупорядочения, который сопровождается размораживанием вращения молекул относительно оси симметрии. Этот фазовый переход связан с некоторым отклонением формы молекул фуллеренов от идеальной сферы и соответствующим отличием потенциала межмолекулярного взаимодействия от сфе­рически симметричного. В случае фуллерита С60 указан­ный переход наблюдается при Т @ 260 К и характери­зуется теплотой перехода Dh = 850 К. В случае эндоэдральных металлофуллеренов, которые характеризуются более высокой энергией межмолекулярного взаимодей­ствия и более значительным отклонением потенциала взаимодействия от сферически симметричного, данный переход должен, казалось бы, происходить при более высокой температуре и обладать более высоким тепло­вым эффектом. Этот вывод, однако, противоречит результатам измерений [38], согласно которым в кри­сталле 139Се140Lа@С80 фазовый переход, сопровождае­мый размораживанием вращения молекул, наблюдается при Т=160 К и характеризуется тепловым эффектом 380 К. Возможно, причина указанного расхождения состоит в том, что при вращении молекул в кристалле не нарушается их ориентация вдоль оси расположения инкапсулированных атомов. В таком случае в кристалле рассматриваемого типа при температуре выше или порядка комнатной должен наблюдаться еще один фазовый переход, обусловленный нарушением продоль­ной ориентации молекул. Тем самым вопрос о связи между характером межмолекулярного взаимодействия и динамикой молекул эндометаллофуллеренов в твердофазном состоянии требует дополнитель­ных исследований.