Фуллерен С60 и его аналоги

1. Фуллерен С60 и его аналоги

ФУЛЛЕРЕН
С И ЕГО
АНАЛОГИ
60
ВЫПОЛНИЛ: СТУДЕНТ ГРУППЫ СЗС -ОИТВПОМ-131
СУТЬКО ВЛАДИСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ
2017Г

2. Фуллерен — молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогран

ФУЛЛЕРЕН — МОЛЕКУЛЯРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ,
ПРИНАДЛЕЖАЩЕЕ КЛАССУ АЛЛОТРОПНЫХ
ФОРМ УГЛЕРОДА И ПРЕДСТАВЛЯЮЩЕЕ СОБОЙ
ВЫПУКЛЫЕ ЗАМКНУТЫЕ МНОГОГРАННИКИ,
СОСТАВЛЕННЫЕ ИЗ ЧЁТНОГО ЧИСЛА
ТРЁХКООРДИНИРОВАННЫХ АТОМОВ
УГЛЕРОДА.
РИСУНОК1-МОДЕЛЬ ФУЛЛЕРЕНА С60
2

3. История открытия

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
В 1985 году группа исследователей -Роберт Кёрл,
Харольд Крото, Ричард Смолли, Хис и О’Брайен —
исследовали масс-спектры паров графита, полученных
при лазерном облучении твёрдого образца, и обнаружили
пики с максимальной амплитудой, соответствующие
кластерам, состоящим из 60 и 70 атомов углерода.
Полиэдрические кластеры углерода получили название
фуллеренов, а наиболее распространённая молекула
С60 — бакминстерфуллерена, по имени американского
архитектора Баксминстера Фуллера, применявшего для
постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники,
являющиеся основными структурными элементами
молекулярных каркасов всех фуллеренов.
3

4. История открытия

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
Возможность существования фуллеренов была
предсказана ещё в 1971 году в Японии и теоретически
обоснована в 1973 году в СССР. За открытие фуллеренов
Крото, Смолли и Кёрлу в 1996 году была присуждена
Нобелевская премия по химии. Единственным способом
получения фуллеренов в настоящий момент является их
искусственный синтез. В течение ряда лет эти
соединения интенсивно изучали в лабораториях разных
стран, пытаясь установить условия их образования,
структуру, свойства и возможные сферы применения.
Установлено, в частности, что фуллерены в
значительном количестве содержатся в саже,
образующейся в дуговом разряде на графитовых
электродах — их раньше просто не замечали.
4

5. Фуллерены в природе

ФУЛЛЕРЕНЫ В ПРИРОДЕ
После получения в лабораторных условиях молекулы
углерода были найдены в некоторых образцах шунгитов
Северной Карелии в фульгуритах США и Индии,
метеоритах и донных отложениях.
На Земле фуллерены образуются при горении
природного газа и разряде молнии.
Летом 2011 года были опубликованы результаты
исследований проб воздуха над Средиземным морем: во
всех 43 образцах воздуха, взятых от Барселоны до
Стамбула, были обнаружены фуллерены.
Фуллерены в больших количествах были обнаружены и в
космосе: в 2010 году в виде газа , в 2012 году — в твёрдом
виде.
5

6. Структурные свойства

СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в
вершинах шести- и пятиугольников, из которых
составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый
симметричный и наиболее полно изученный
представитель семейства фуллеренов — фуллерен (C60),
в котором углеродные атомы образуют усеченный
икосаэдр , состоящий из 20 шестиугольников и 12
пятиугольников и напоминающий футбольный мяч (как
идеальная форма, крайне редко встречающаяся в
природе). Так как каждый атом углерода фуллерена С60
принадлежит одновременно двум шести- и одному
пятиугольнику, то все атомы в С60 эквивалентны, что
подтверждается спектром ядерного магнитного
резонанса (ЯМР) изотопа 13С — он содержит всего одну
линию.
6

7. Структурные свойства

СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА
Следующим по распространённости является фуллерен
C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из
10 атомов углерода в экваториальную область C60, в
результате чего молекула 34 является вытянутой и
напоминает своей формой мяч для игры в регби.
Рисунок2-модель фуллерена с70
7

8. Структурные свойства

СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА
Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее
число атомов углерода (до 540), образуются в значительно
меньших количествах и часто имеют довольно сложный
изомерный состав. Среди наиболее изученных высших
фуллеренов можно выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.
Рисунок3- Структуры аналогов фуллерена
8

9. Синтез

СИНТЕЗ
После оптимизации метода Хаффмана-Кретчмера(ХК),
повысить выход фуллеренов более 10-20 % от общей массы
сожжённого графита не удаётся. Из-за относительно
высокой стоимости начального продукта — графита, этот
метод имеет принципиальные ограничения. Многие
исследователи полагают, что снизить стоимость
фуллеренов, получаемых методом ХК, ниже нескольких
долларов за грамм не удастся. Поэтому усилия ряда
исследовательских групп направлены на поиск
альтернативных методов получения фуллеренов.
Наибольших успехов в этой области достигла фирма
Мицубиси, которой удалось наладить промышленный
выпуск фуллеренов методом сжигания углеводородов в
пламени. Стоимость таких фуллеренов составляет около 5
долл./грамм (2005 год), что никак не повлияло на стоимость
электродуговых фуллеренов
9

10. Физические свойства и прикладное значение

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И
ПРИКЛАДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов,
называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого
рода — кристалл С60, менее — система кристаллического С70.
Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены
сложностью их получения. При комнатных температурах кристалл
С60 имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку с
постоянной 1,415 нм, но при понижении температуры происходит
фазовый переход первого рода (Ткр≈260 К) и кристалл С60 меняет
свою структуру на простую кубическую (постоянная решётки 1,411
нм). При температуре Т > Ткр молекулы С60 хаотично вращаются
вокруг своего центра равновесия, а при её снижении до
критической две оси вращения замораживаются. Полное
замораживание вращений происходит при 165 К. Кристаллическое
строение С70 при температурах порядка комнатной подробно
исследовалось в работе. Как следует из результатов этой работы,
кристаллы данного типа имеют объёмноцентрированную (ОЦК)
решётку с небольшой примесью гексагональной фазы.
10

11. Нелинейные оптические свойства

НЕЛИНЕЙНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
Фуллерены действительно обладают нелинейными
оптическими свойствами. Однако из-за высокой симметрии
молекулы С60 генерация второй гармоники возможна только
при внесении асимметрии в систему (например внешним
электрическим полем). С практической точки зрения
привлекательно высокое быстродействие (~250 пс),
определяющее гашение генерации второй гармоники. Кроме
того фуллерены С60 способны генерировать и третью
гармонику. Другой вероятной областью использования
фуллеренов и, в первую очередь, С60 являются оптические
затворы. Экспериментально показана возможность
применения этого материала для длины волны 532 нм.
Малое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в
качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов
добротности. Однако, по ряду причин фуллеренам трудно
конкурировать здесь с традиционными материалами.
Высокая стоимость, сложности с диспергированием
фуллеренов в стёклах, способность быстро окисляться на
воздухе.
11

12. Гидратированный фуллерен (HyFn);(С60(H2O)n)

ГИДРАТИРОВАННЫЙ ФУЛЛЕРЕН
(HYFN);(С60(H2O)N)
Гидратированный фуллерен С60 - C60HyFn - это прочный,
высокогидрофильный супрамолекулярных комплекс,
состоящий из молекулы фуллерена С60, заключенной в
первую гидратную оболочку, содержит 24 молекулы
воды: C60х(H2O)24 \
Рисунок 4-водный раствор C60х(H2O)24
12

13. Многослойные фуллерены

МНОГОСЛОЙНЫЕ
ФУЛЛЕРЕНЫ
В 1999 году японско-российском коллектива из Международного
центра исследований материалов ( Япония) удалось найти
многослойные фуллерены. Они были получены из сажи, путем
лазерного пиролиза бензола. Сажу течение часа выжигали при
температуре 30000С в атмосфере аргона. После прокаливания в
вакууме при температуре 16000С была получена пленка осадка,
состоящая из молекул фуллерена диаметром 8,1 и 11,9 , что
соответствует С80 и С180.
Рисунок 5-многослойные фуллерены
13

14. Металлический аналог фуллерена

МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ АНАЛОГ
ФУЛЛЕРЕНА
Золотой аналог фуллерена синтезировала группа
под руководством профессора Вана. Он работал
над созданием «золотых фуллеренов» в
Тихоокеанской северо-западной национальной
лаборатории министерства энергетики. А
теоретические расчеты проводила группа
профессора Сяо Чэн Цзэна из Университета штата
Небраска. По словам профессора Вана,
синтезированные ими молекулы состоят из 16,17 и
18 атомов золота. Они образуют треугольники, из
которых и формируются в дальнейшем более
сложные структуры.
14

15. «Волейбольный аналог» фуллерена

«ВОЛЕЙБОЛЬНЫЙ АНАЛОГ»
ФУЛЛЕРЕНА
Химики из Университета Хэбей в Китае рассчитали параметры
соединения углерода и скандия, которое по структуре
напоминает фуллерен, но, в отличие от него, больше похоже на
волейбольный, чем на футбольный мяч. Соединение состоит
из 60 атомов углерода и 20 атомов скандия. Границы одного
фрагмента волейболена образуют восемь атомов скандия,
внутри которых заключено десять атомов углерода. По словам
авторов, волейболен должен быть стабилен при нагревании и
довольно инертен с химической точки зрения.
Рисунок 6-модель волейболена
15

16. борсодержащий аналог фуллерена -боросферен

БОРСОДЕРЖАЩИЙ АНАЛОГ
ФУЛЛЕРЕНА -БОРОСФЕРЕН
Группа исследователей из университета Брауна, возглавляемая
профессором Лай-Шенг Ван, уже давно экспериментирует с бором
и им удалось сделать плоские дискообразные молекулы,
состоящие из 36 атомов этого вещества. Эти молекулы могут быть
"сшиты" между собой, формируя материал одноатомной толщины
наподобие графена и который получил название борофена.
Работая над этим материалом, ученые выяснили, что молекулы из
40 атомов бора имеют более высокую стабильность, нежели
молекулы, содержащие другое количество атомов.
Используя вычислительную мощность одного из
суперкомпьютеров, группа профессора Ванна построила модели
более чем 10 тысяч вариантов молекул из 40 атомов бора,
соединенных между собой. Помимо моделирования структуры
такой молекулы, суперкомпьютер производил расчеты энергии
всех электронных связей, удерживающих атомы молекулы.
16

17. борсодержащий аналог фуллерена -боросферен

БОРСОДЕРЖАЩИЙ АНАЛОГ
ФУЛЛЕРЕНА -БОРОСФЕРЕН
Поверхность молекулы фуллерена C60 состоит из 20
шестиугольников и 12 пятиугольников. А поверхность
боросферена сформирована из 48 треугольников, четырех
колец с семью сторонами и двух колец с шестью сторонами.
Такая необычная комбинация геометрических фигур приводит к
формированию поверхности с несколькими выступами,
далекой от идеальной шарообразной формы фуллерена.
Рисунок 7-модель боросферена
17

18. заключение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Существует большое количесто фуллеренов по своей
структуре, а также их аналогов, однако их свойства еще
мало изучены.
Изучение свойств фуллеренов и их аналогов может дать
толчок к их использованию и развитию нанотехнологий в
целом.
18

19. Спасибо за внимание

СПАСИБО ЗА
ВНИМАНИЕ
19