Знакомьтесь: Фуллерены

Фуллерены - это сферообразные молекулы, включающие 28, 32, 50, 60, 70, 76... атомов углерода, соединённых между собой ковалентными связями. Своим названием фуллерены обязаны американскому инженеру-изобретателю Ричарду Бакминстеру Фуллеру, который создавал похожие по структуре архитектурные конструкции - «геодезические купола». Наиболее устойчивый и интересный по комплексу свойств вариант фуллерена - это C60. В природе он практически не встречается, если не считать некоторых редких минералов, например, карельского шунгита, в котором наблюдаются следы C60.

Фуллерены были предсказаны «на кончике пера», то есть теоретически, японским учёным-физиком Е. Осавой в 1970 г. и российскими учёными в 1971 г. Е. Осава опубликовал свои гипотезы в журнале по химии, который выходит только на японском языке. Затем он написал книгу о свойствах ароматичности, опять же на японском языке, в которую включил главу о фуллерене. Именно из-за языкового барьера его работа не была известна научному сообществу вплоть до экспериментального открытия С60.

В СССР в 1971 г. впервые был проведён квантово-химический расчёт электронной структуры фуллеренов и их стабильности. Это произошло следующим образом. Директор Института элементоорганических соединений РАН академик А. Несмеянов предложил заведующему лабораторией квантовой химии Д. Бочвару исследовать полые углеродные замкнутые структуры, которые могут поглощать атомы металлов, тем самым изолируя их от воздействия окружающих веществ.

Д. Бочвар приступил к работе, начав с молекулы C20, имеющей форму додекаэдра (она была названа карбододекаэдром). Результаты расчёта показали, что такая структура должна быть нестабильной. Работа остановилась. И тогда сотрудник лаборатории И. Станкевич, заядлый футболист, предложил другую возможную замкнутую структуру из углерода - С60, имеющую симметрию усечённого икосаэдра, то есть футбольного мяча. Он принёс в лабораторию футбольный мяч и сказал: «22 здоровых мужика часами пинают этот мяч, и с ним ничего не делается. Молекула такой формы должна быть очень крепкой».

Квантово-химический расчёт молекулы такого размера был очень сложен для компьютеров того времени, однако он был проведён и показал, что молекула С60 должна быть стабильной. К большому сожалению, сотрудникам лаборатории Бочвара не удалось убедить химиков-экспериментаторов синтезировать эту структуру и вплоть до 1985 г. она считалась в нашей стране теоретической выдумкой.

Фуллерены были открыты в 1985 г. тремя учёными: Г. Крото (Англия), Р. Смолли и Р. Кёрлом (США). В 1996 г. они получили за своё открытие Нобелевскую премию по химии.

Началось все с того, что в середине 1970-х Г. Крото по спектральным данным из космоса обнаружил в составе звёзд незнакомые углеродные молекулярные структуры и у него появилось желание получить их в лабораторных условиях. В начале 1980-х за океаном, в Университете Райса (шт. Техас), в лаборатории Р. Смолли, была разработана аппаратура для исследования соединений и кластеров, образующихся из тугоплавких элементов.

Этих учёных познакомил Р. Кёрл. Побывав в Университете Сассекса у Г. Крото, Р. Кёрл предложил ему посетить лабораторию Р. Смолли. Г. Крото впервые появился там в 1984 г. и был впечатлён возможностями установки. Чтобы смоделировать условия возникновения загадочных углеродных структур в оболочках звёзд, Г. Крото предложил заменить ключевой элемент установки, металлический диск, на графитовый диск.

В конце августа 1985 г. Г. Крото снова приехал к Р. Смолли, чтобы участвовать, как впоследствии выяснилось, в историческом 10-дневном эксперименте. Сначала в масс-спектре были получены непонятные пики, а затем они были интерпретированы как замкнутые структуры из 60 и 70 атомов углерода, имеющие формы футбольного мяча и мяча для регби. (Электронная микроскопия в те годы была ещё недостаточно развита, чтобы непосредственно отображать молекулярные структуры.) А уже 13 сентября редакция журнала Nature получила статью "С60: Buckminsterfullerene". В этой статье молекула фуллерена была изображена с помощью футбольного мяча: видимо, у авторов не было времени на постройку каркасной атомарной модели.

Исследователи справедливо предположили: полученная молекула С60 представляет собой не цепочку, а замкнутую сферу. Дело в том, что природа предпочитает симметричные структуры, а усечённый икосаэдр имеет высшую симметрию. Г. Крото впоследствии написал: «Помню, я думал о том, что столь прекрасная форма молекулы должна быть верной». К мысли об усечённом икосаэдре Г. Крото пришёл, глядя на купол, построенный Ричардом Бакминстером Фуллером (1895-1983). В его честь и была названа новая молекула.

В 1990 г. В. Кретчмер (Германия) и Д. Хаффман (США) разработали промышленный способ получения фуллеренов. Они синтезируются в электрической дуге, горящей между графитовыми электродами в среде инертного газа. На электродах и вокруг них оседает специфическая сажа, представляющая собой смесь различных фуллеренов.

Фуллерены уже применяются в различных областях науки и техники. Например, на транспорте, в обрабатывающей промышленности, энергетике, их добавляют в смазки в качестве присадок, улучшающих скольжение и коррозионную устойчивость деталей. Подобно другой форме углерода - алмазу - фуллерен C60 отличается высокими температурной устойчивостью и прочностью, если последнее понятие можно применить по отношению к тончайшей саже. В составе смазок молекулы фуллерена C60 играют роль мельчайших подшипниковых шариков, которые перекатываются между поверхностями деталей, не давая им истираться друг о друга.

Впрочем, вполне возможно, что основной сферой применения уникального материала станет солнечная энергетика. Уже 20 лет идёт разработка полимерно-фуллереновых композитов, пригодных для изготовления недорогих и лёгких солнечных элементов. Учёные пытаются использовать молекулы C60 и C70 как в полупроводниковом слое (в виде добавок для увеличения подвижности электронов), так и в проводящем слое (в чистом виде). С начала исследований эффективность фуллереносодержащих фотоэлементов выросла в 100 раз и достигла 11%. Почему это важно? Потому что технология производства полимерных фотоэлектрических преобразователей может быть очень недорогой, причём можно будет сразу изготавливать большие панели, минуя их трудоёмкую сборку из небольших пластин.

У новых веществ обнаружился ряд необычных свойств. В патентные ведомства промышленно развитых стран подано несколько тысяч заявок на патенты по применению фуллеренов. Изобретатели убеждены, что с помощью нового материала можно совершить прорывы при изготовлении сверхпроводников, сегнетоэлектриков, магнетиков, полупроводников, нелинейных оптических материалов, катализаторов, лекарств и пр. Например, изобретатели предложили композиционные материалы для скользящих сильноточных электрических контактов с повышенным ресурсом работы, термомодифицированные материалы электродов для аккумуляторов, сверхпроводящие структуры на основе фуллереновых интеркалятов. Надеемся, новые технологические прорывы не за горами.