Фулерените (), Cn, са алотропна модификация на въглерода, атомите на която са подредени във формата на куха сфера, елипсоид или цилиндър. Сферичните фулерени са известни още като бъкиболи (), а цилиндричните — като въглеродни нанотръби. Фулерените имат сходство с графита, който е съставен от листове графен, но в тях обичайно се срещат и петоъгълни и седмоъгълни въглеродни пръстени. Смятат се за най-стабилна форма на въглерода, тъй като там атомите са в sp2-хибридно състояние.
Откриването на фулерените през 1985 г. значително разширява броя на известните алотропни форми на въглерода, тъй като дотогава са известни графитът, графенът, диамантът и аморфният въглерод. Фулерените са предмет на множество научни изследвания поради тяхното потенциално приложенине в нанатехнологиите.
Фулерените са открити случайно в природата и в открития Космос.Stars reveal carbon 'spaceballs', BBC, 22 July 2010. Предполага се, че в околното пространство на въглеродните звезди в Космоса съществуват фулерени и линейни образувания от въглеродни атоми.
Откриване Преди 80-те години на 20 век е теоретично доказано и впоследствие наблюдавано, че при температури над 1000 К па́рите на всеки химичен елемент, освен въглерода, са или едноатомни, или двуатомни, а само въглеродът образува клъстери Cn с размери в нанометровия диапазон, образувайки куха молекула. При температура 3000 – 4000 °C е значителен броят на клъстерите n ≈ 15. До 1986 г. никой не се е стремял да получи клъстери с n > 20. През 1985 г. американците Ричард Смоли и Робърт Кърл и британецът Харолд Крото създават заедно нова техника за изследване на въглеродните клъстери, както и метод за получаване на високоплътни клъстерни потоци със свръхзвукова скорост в струя на хелий и лазерно изпарение на въглерода. В резултат на изследването станало ясно, че при определени условия на експеримента интензитетът на клъстера C60 се получава хиляди пъти по-голям от всички останали. Изследвания показват, че C60 е затворена куха фигура, приличаща на футболна топка, голяма 1 нанометър, чиято повърхност се образува от 12 петоъгълника и 20 шестоъгълника. Петоъгълниците са образувани от от единични връзки, а при шестоъгълниците се редуват прости и двойни връзки, като за цялата молекула е харакетрна резонансна свръхароматност. Молекулата на C60 е икосаедрична.
Названието „фулерени“ е в чест на американския архитект Ричард Бъкминстър Фулър, който използвал конструкция с петоъгълници и шестоъгълници, за да затвори сферичната форма на купола на ЕКСПО-60 в Монреал, САЩ.
В масовия спектър на изследването са получени и други структури n = 70, 50, 28 и по-рядко 20, 24, 32, 36, но всички те са значително по-нестабилни от C60. За своето откритие Ричард Смоли, Робърт Кърл и Харолд Крото, получават Нобелова награда по химия през 1996 г.
Физични свойства Фулерените са ситнокристални вещества. Не са намерени следи от други атоми по повърхността на фулерените, което ги различава от отсатналите алотропни форми на въглерода. C60 кристализира в кубична сингония, тип NaCl с плътност 1,7 g/cm3. При нагряване кристалите се топят на 500 – 600 °C , а молекулите се разрушават при 900 – 1000 °C. Притежават полупроводникови свойства.
Химични свойства Фулерените реагират с алкалните метали и образуват йонни съединения, наречени фулериди – K3C60, KRb2C60, Na2CsC60.
Производни Възможно е присъединяването на алкилови вериги към фулереновата молекула. Известни са и органометални производни. Хетерофулерените са производни на фулерените, при които поне един въглероден атом от клъстера е заменен с друг – B, N, S, Si. Външноописани фулерени са химични съединения, при които атом или атомна група са вкарани във фулерена, обозначавано със символа @: He@C20, U@C28, La@C28.
Синтез При условията на синтез, най-често се получават C60 и C70 в по-значителни количества. Те се разделят като при разтваряне в кипящ бензен и прокарване на сместа през хроматографска колонка от γ-Al2O3. Фракцията от C60 е пурпурнолилава, а от C70 е тъмнооранжева.
Ако при синтезирането на фулерени се добавят няколко процента Ni или Co, се възпрепятства образуването на сферичната структура на фулерена. При подходящи температура и скорост на реакцията, е възможно получаване на въглеродни нанотръбички с един отворен край, а другият съдържа половин фулерен. Те имат диаметър от един до няколко нанометра. Откритието на стабилни фулерени и нанотръби слага началото на нова област на научни изследвания и твърдотелни нанотехнологии с широко практическо приложение.
Днес фулерените се синтезират рутинно и се използват широко в науката и нанотехнологиите. Сред тях са и въглеродните нанотръби, въглеродни нанопъпки и въглеродни нановлакна.
Източници
Външни препратки
Кратък филм, обясняващ структурата на бъкиболите Кратък филм, разглеждащ огромните по структура бъкиболи
Категория:Алотропни форми на въглерода Категория:Фулерени