Фуллерен. Фуллерены

Фуллеренами в наиболее общем значении этого понятия можно назвать экспериментально полученные и гипотетические молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода и имеющие форму выпуклых многогранников. Атомы углерода расположены в их вершинах, а C-C связи пролегают вдоль рёбер [1].

Фуллерен - это молекулярная форма углерода [8]. Распространено определение, которое гласит, что фуллерены, находяшиеся в твёрдом состоянии, принято называть фуллеритами. Кристаллическая структура фуллерита представляет собой периодическую решётку молекул фуллерена, причём в кристаллическом фуллерите молекулы фуллеренов образуют ГЦК-решетку.

Фуллерен с начала девяностых годов представляет интерес для астрономии, физики, биологии, химии, геологии и других наук. Фуллерену приписывают фантастические медицинские свойства: например, фуллерен якобы уже начали использовать в косметике в качестве омолаживающего средства в косметологии. С помощью фуллерена собираются бороться с раком, ВИЧ и другими грозными заболеваниями. В то же время новизна этих данных, их малоизученность и специфика современного информационного пространства пока не позволяет доверять на сто процентов подобным сведениям о фуллерене.

Распространена сильно упрощённая точка зрения, что до открытия фуллерена существовали две полиморфные модификации углерода - графит и алмаз, а после 1990 года к ним добавилась ещё одна аллотропная форма углерода [1]. На самом деле это не так, потому что формы существования углерода удивительно многообразны (см. статью [4]).

История открытия фуллеренов

Коллектив авторов под руководством Л.Н. Сидорова обобщил в монографии "Фуллерены" большое количество трудов на эту тему, хотя далеко не все: к моменту выхода книги [1] общее количество посвящённых фуллеренам публикаций достигало примерно 15 тысяч. По мнению авторов, открытие фуллеренов - новой формы существования углерода - одного из самых распространённых элементов на нашей планете - признано одним из важнейших открытий в науке XX столетия. Несмотря на давно известную уникальную способность атомов углерода связываться в сложные разветвлённые и объёмные молекулярные структуры, составляющую основу всей органической химии, возможность образования только из одного углерода стабильных каркасных молекул всё равно оказалось неожиданной. По данным [1] экспериментальное подтверждение тому, что молекулы подобного типа из 60 и более атомов могут возникать в ходе естественно протекающих в природе процессов, получено в 1985 г., но задолго до этого уже предполагали стабильность молекул с замкнутой углеродной сферой.

Обнаружение фуллеренов связано напрямую с исследованием процессов сублимации и конденсации углерода.

Новый этап в изучении фуллеренов наступил в 1990 году, когда был разработан метод получения новых соединений в граммовых количествах и описан способ выделения фуллеренов в чистом виде [1]. После этого были установлены важнейшие структурные и физико-химические характеристики фуллерена С₆₀. Изомер С60 (бакминстерфуллерен) - это наиболее легко образующееся соединение среди известных фуллеренов. Название своё фуллерен C60 получил в честь футуриста-архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, создавшего сооружения, куполообразный каркас которых состоял из пентагонов и гексагонов. Одновременно с этим в процессе исследования появилась необходимость в обобщающем названии фуллерены для объёмных структур с замкнутой поверхностью (углеродный каркас), благодаря их многообразию.

Стоит отметить также, что в честь Бакминстера Фуллера названа целая линейка углеродных материалов: фуллерен с60 (бакминстер фуллерен) также называют бакибол (Бакминстеру Фуллеру не нравилось имя "Бакминстер" и он предпочитал сокращённое имя "Баки"). Кроме того с этой же приставкой иногда называют: углеродные нанотрубки - бакитьюбы, фуллерены яйцевидной формы - buckyegg (buckyball egg) и т.п.

Свойства фуллеренов. Фуллерит

Свойства фуллеренов недостаточно изучены в силу объективных причин: относительно небольшое количество лабораторий имеет возможность изучать эти свойства. Зато в периодической и научно-популярной печати столько внимания отведено фуллеренам и их свойствам... Зачастую непроверенная информация о чудодейственных свойствах фуллеренов распространяется с поразительной скоростью и в огромных масштабах, в итоге слабый голос опровержений остаётся неуслышанным. Например, заявление одной группы учёных о том, что фуллерены присутствуют в шунгите, было проверено неоднократно, но подтверждения не нашло (см. обсуждение к [9]). Тем не менее шунгит сегодня считается "природным нанотехнологичным фуллеренсодержащим материалом" - утверждение, которое пока, на мой взгляд, больше похоже на маркетинговый ход.

Отдельные исследователи заявляют о таком настораживающем свойстве фуллеренов, как токсичность [11].

Как правило, когда говорят о свойствах фуллеренов имеют в виду их кристаллическую форму - фуллериты.

Существенное отличие кристаллов фуллеренов от молекулярных кристаллов многих других органических веществ в том, что у них не удаётся наблюдать жидкую фазу. Возможно, это связано с тем, что температура 1200 K перехода в жидкое состояние, которая приписывается фуллериту С₆₀, уже превышает то её значение, при котором наступает заметная деструкция углеродного каркаса самих молекул фуллерена [8].

Согласно данным [6], к свойствам фуллеренов относится аномально высокоя стабильность, о которой свидетельствуют результаты исследований процессов с участием фуллеренов. В частности, автор [7] отмечает, что кристаллический фуллерен существует как стабильное вещество вплоть до температур 1000 – 1200 К, что объясняется его кинетической устойчивостью. Правда это касается стабильности молекулы фуллерена С60 в инертной атмосфере аргона [8], а в присутствии кислорода наблюдается значительное окисление уже при 500 К с образованием CO и CO₂.

Комплексному исследованию электрофизических и термодинамических свойств фуллеритов С60 и С70 в условиях экстремального ударного нагружения посвящена работа [7].

В любом случае при обсуждении свойств фуллеренов необходимо конкретизировать, какое соединение имеется в виду - С20, C60, С70 или другое, естественно, свойства у этих фуллеренов будут совершенно разные.

В настоящее время фуллерены С60, С70 и фуллеренсодержащие продукты производятся и предлагаются на реализацию различными зарубежными и отечественными предприятиями, поэтому купить фуллерены и заняться изучением свойств фуллеренов теоретически имеет возможность любой желающий. Фуллерены С60 и С70 предлагаются по ценам от 15$ до 210$ за грамм, и дороже, в зависимости от вида, степени чистоты, количества и других факторов. Производство и продажа фуллеренов »

Фуллерены в чугунах и сталях

Очень высокие температуры, при которых происходят протекающие в железо-углеродистом расплаве процессы, а также значительные напряжения, являются предпосылками образования в чугунах и сталях, помимо графита, как одной из важнейших структурных составляющих чугунов, таких форм существования углерода, как фуллерен, а также алмаз, лонсдейлит и др.

Если предположить существование фуллеренов и фуллереновых структур в железо-углеродистых сплавах, то они должны существенно влиять на физико-механические свойства сталей и чугунов, участвуя в структурных и фазовых превращениях.

Механизмам кристаллизации железо-углеродистых сплавов давно уделяется очень пристальное внимание со стороны исследователей этих процессов. В статье [3] рассматриваются возможные механизмы образования шаровидного графита в высокопрочном чугуне и особенности его строения как раз с учётом фуллереновой природы железоуглеродистых сплавов. Автор [3] пишет, что "с открытием фуллеренов и структур на основе фуллеренов в ряде работ предпринимаются попытки объяснения механизма образования шаровидного графита на основе этих структур".

Работа [5] рассматривает достижения в области химии фуллеренов и обобщает "новые представления о структуре железоуглеродистых расплавов". Автор [5] утверждает, что молекулярная форма углерода – фуллерены С60 - идентифицирована им в железо-углеродистых сплавах, выплавленных методами классической металлургии, а также выявляет три возможных механизма появления фуллеренов в структуре сталей и чугунов:

переход фуллеренов в расплав из фуллеренсодержащей шихты в ходе металлургических процессов получения сплавов;

образование фуллеренов при первичной кристаллизации;

в результате структурных и фазовых превращений, протекающих при термических воздействиях.

В своё время, 5 лет назад, мы выбрали фуллерен и гексагон в качестве логотипа сайта www.modificator.ru, как символ последних достижений в области исследования железо-углеродистых расплавов, как символ новых разработок и открытий, связанных с модифицированием Fe-C расплава - неотъемлемым этапом современного литейного производства и малой металлургии.