Физические свойства фуллеренов

Министерство высшего и профессионального образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет.

Реферат по курсу "спец. главы физики"

тема:

"Физические свойства фуллеренов".

Выполнила: Баранова А.В.

Факультет: РЭФ

Группа: РФ 1-92

Новосибирск 2000.

Введение.

В настоящее время понятие "фуллерены" применяется к широкому классу многоатомных молекул углерода C_n , где n> 60, и твердым телам на их основе. Однако еще 6 лет назад фуллереном (точнее бакминстерфуллереном) называли молекулу С₆₀ , то есть молекулу, состоящую из шестидесяти атомов углерода, расположенных на сферической поверхности, как показано на рис.1. Как видно из рисунка, атомы углерода располагаются на поверхности сферы в вершинах пятиугольников (пентагонов) и шестиугольников (гексагонов). Эта молекула напоминает футбольный мяч, имеющий 12 черных пентагонов и 20 белых гексагонов. Молекулы С₆₀ могут кристаллизироваться, образуя кубическую решетку. Таким образом, фуллерен является четвертой аллотропной формой углерода (первые три – алмаз, графит и карбин). В дальнейшем для определенности фуллереном мы будем называть твердую фазу С₆₀ , а отдельные молекулы С₆₀ – молекулами фуллерена . Как мы уже отмечали, молекула С₆₀ содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических молекул. В связи с этим мы должны признать, что молекула фуллерена является органической молекулой, а сам фуллерен представляет собой молекулярный кристалл, являющейся связующим звеном между органической и неорганической материей.

Впервые возможность существования высокосимметричной молекулы углерода, напоминающей футбольный мяч, была представлена японскими учеными Е. Осава и З. Иошилда в 1970 году. Чуть позже российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперн сделали первые теоретические квантовохимические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность. Только спустя 15 лет, в 1985 году, английскому ученому Крото с сотрудниками удалось синтезировать молекулу С₆₀ . Для этого твердая графитовая мишень подвергалась воздействию мощного лазерного излучения. В результате происходило образование хаотической плазмы, имеющей температуру 5000 – 10000 С, в этой плазме и синтезировались молекулы С₆₀ , которые идентифицировались методом масс – спектроскопии, то есть с помошью прибора, позволяющего сортировать атомы и молекулы по их массам. Процесс образования молекул фуллерена из плазмы представляет прекрасный примен организации упорядоченных структур из хаоса – одной из интереснейших областей современной науки !

Свое название молекулы фуллерена получили по фамилии архитектора Бакминстера Фуллера, сконструировавшего купол павильона США на выставке в Монреале в 1967 году в виде сочлененных пентагонов и гексагонов. Однако справедливостти ради необходимо отметить, что подобная форма есть среди полурегулярных форм Архимеда. Кроме того, сохранился деревянной модели такой формы, выполненный Леонардо да Винчи, а Эйлер получил формулу для различных поверхностей,

где n – размерность многоугольников, N_n – число многоугольников размерности n , s – характеристика кривизны поверхности s = 1для сферы и s = 0 для плоскости из формулы 1 следует, что для образования сферической поверхности необходимо 12 пентагонов n = 5 и сколь угодно гексагонов (n=6).

Следующий существенный шаг в направлении развития исследований фуллеренов был сделан в 1990 году, когда группе ученых под руководством В.Кретчмера и Д.Р. Хоффмана удалось синтезировать твердый фуллерен в виде микрокристаллов. Процесс синтеза кристаллического фуллерена оказался, как теперь представляется, очень простым. Сажа, получаемая при распылении углерода в электрической дуге между двумя угльными электродами, содержит определенное количество фуллерена. Вся проблема состояла в том, как оделить малые количества фуллерена от основной массы аморфного углерода, который получился при такой технологии. Кретчмер и Хоффман использовали способность фуллерена в отличие от графита растворятся в органических растворителях, в частности в бензоле. Затем раствор фильтровали, чтобы отделить частички углерода и нагревали. Подобно тому как после испарения молекул воды из соляного раствора на дне сосуда остаются кристаллики соли, так и после испарения бензола остаются кристаллики фуллерена. Существуют и другие способы выделения фуллерена из сажы, например нагревание сажи в вакууме. Энергия связи молекул фуллерена значительно меньше энергии связи атомов углерода в графите, поэтому уже при невысоких температурах (около 200 С) молекулы фуллерена вылетают из сажи и осаждаются на подложку, образуя микрокристаллическую пленку. Атомы же углерода при этом остаются в нагревателе.

Как выяснилось позже, существуют и природные фуллерены. В 1992 году их обнаружили в природном углеродном минерале – шунгите (свое название этот минерал получил от названия поселка Шуньга в Карелии). Правда, содержание фуллерена в шунгите незначительно, не превышает 10^-3 %. Более того, в 1993 году в шунгитах были обнаружены и другие многоатомные молекулы и микрочастицы углерода - С₇₀ , нанотрубы, матрешки, луковицы, о которых речь пойдет ниже.

Особый интерес вызвало в 1991 году сообщение группы