Введение. Новые аллотропные формы углерода — фуллерены — были открыты в 1985 г

Новые аллотропные формы углерода — фуллерены — были открыты в 1985 г. [1], однако научный интерес к изучению фуллеренов проявился после изобретения в 1990 г. способа их производства в макроскопических количествах [2] и особенно после присуждения в 1996 г. Нобелевской премии по химии за открытие фуллеренов. Интерес к исследованиям фуллеренов обусловлен разнообразием новых физико-химических явлений, происходящих при участии фуллеренов, и исключительными перспективами применения нового класса материалов, создаваемых на их основе [3, 4, 5].

Фуллерены и фуллереноподобные структуры

Фуллерены — углеродные кластеры с чётным, более 20, количеством атомов углерода, образующих три связи друг с другом [6]. Атомы в молекулах фуллеренов расположены на поверхности сферы или сфероида в вершинах гексагонов и пентагонов. Примеры фуллеренов приведены на рис. 1. Фуллерены с количеством атомов более 70 (например, C₇₆, C₇₈, C₈₄) называют высшими фуллеренами.

Рис. 1. Примеры фуллеренов

Молекула C₆₀ обладает наиболее высокой среди фуллеренов симметрией и наибольшей стабильностью. Каждый атом углерода в молекуле расположен в вершинах двух гексагонов и одного пентагона. Валентные электроны каждого атома находятся в sp²‑гибридизованных состояниях, сходных с состояниями электронов в графите [7].

Фуллерены практически нерастворимы в полярных растворителях типа спиртов, в ацетоне, тетрагидрофуране, малорастворимы в нормальных алканах (пентан, гексан, декан). Лучше всего они растворяются в жидкостях, для которых отношение удельной энтальпия испарения к удельному объёму молекулы растворителя близко к соответствующему значению для молекулы C₆₀ (~100 кал/см³) [8], например, в бензоле и толуоле. Поведение фуллеренов в растворах носит сложный характер. Например, растворимость фуллерена в нормальном декалине, состоящим из цис - и транс ‑форм в отношении 3:7, заметно больше растворимостей в каждой из форм в отдельности.

Молекулы фуллеренов являются сильными окислителями, так как обладают высокой электроотрицательностью и способны присоединять к себе до шести свободных электронов.

Углеродные нанотрубки представляют собой графеновые сетки, свернутые в трубки, и могут быть открытыми и закрытыми (рис. 2), одностенными, двустенными и многостенными c расстоянием между стенками около 0,35 нм. На концах закрытых нанотрубок помимо шестиугольных ячеек, характерных для структуры графита, присутствуют пятиугольные ячейки.

Рис. 2. Углеродная нанотрубка, закрытая с одного конца

Зонная структура одностенных углеродных нанотрубок определяется их диаметром и углом между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Углеродные нанотрубки могут быть проводниками или полупроводниками. Внешнее магнитное поле способно изменять ширину запрещенной зоны полупроводниковой трубки и даже переводить ее в проводящее состояние. Проводимость углеродных нанотрубок, легированных калием или бромом, при 300 К превышает проводимость чистых нанотрубок более, чем в 30 раз [9]. Углеродные трубки чрезвычайно прочны и упруги. Их модуль Юнга составляет 0,40—3,7 ТПа [10].

Эндофуллерены — молекулы, в которых внутри молекулы фуллерена размещен один или несколько неуглеродных атомов (рис. 3).

Рис. 3. Молекула эндофуллерена

Ультрадисперсные угрегаты углерода (УДАУ) — ассоциаты углеродных кластеров. УДАУ выделяются многообразием строения. Среди элементов ассоциатов могут быть самые разные структуры, в том числе цепочечные, однослойные, многослойные ("луковичные").