Кристаллическая структура наночастиц. Фуллерены, углеродные нанотрубы, графен

Фуллерены – молекулы углерода, представляющие собой замкнутые сферы или сфероиды, выложенные правильными шестиугольниками (гексагонами) или пятиугольниками (пентагонами), в вершинах которого находятся атому углерода. Они были открыты в 1985 г. в Техасе. В масс-спектрах кластеров углерода наблюдались явно выраженные пики с числом атомов 60 и 70 (C₆₀ и C₇₀). В 1996 г. за открытие фуллеренов Г. Крото, Р. Смолли и Р. Керлу присуждена нобелевская премия по химии. В 1990 г. В Кретчмер и Д Хафман разработали технологию получения в макроскопических количествах, основанную на термическом распылении электрической дуги с графитовыми электродами и последующей экстракции фуллеренов из продуктов распыления с помощью органических растворителей (бензол, толуол и др.).

C₆₀. Наиболее распространенный и устойчивый фуллерен. Радиус молекулы 0,357 нм. Диаметр приблизительно 0,71 нм, внутренний диаметр 0,5 нм. 12 пентагонов, 20 гексагонов. 60 вершин, 32 = (20 + 12) граней, 60×3/2 = 90 ребер. Имеет место формула Эйлера: 60 + 32 – 90 = 2.

Получены эндоэдральные (атомы внутри) и экзоэдральные (атомы вне сферы) соединения C₆₀.

C₇₀. 12 пентагонов, 25 гексагонов. 70 вершин, 37 = (25 + 12) граней, 70*3/2 = 105 ребер. Имеет место формула Эйлера: 70 + 37 – 105 = 2.

Другие фуллерены встречаются значительно реже.

Углеродные нанотрубки. Длина порядка 10 мкм. Внешний диаметр 1 – 10 нм. Один или несколько слоев. Толщина слоя 0,34 нм. Количество слоев от 1 до 50. В зависимости от хиральности (ориентации графитовых слоев относительно оси цилиндра) могут быть полуметаллами как графит или полупроводниками с шириной запрещенной зоны от 0,01 до 0,7 эВ.

Фуллерит. Молекулярный кристалл C₆₀. Решетка кубическая гранецентрированная с параметром куба а = 1,42 нм. Расстояние между ближайшими атомами 1 нм. Температура возгонки 800° С. Полупроводник с шириной запрещенной зоны 1 – 2 эВ. При легировании атомами щелочных металлов – сверхпроводник с критической температурой от 18 до 40 К.

При понижении температуры до 249 К имеет место фазовый переход. Гранецентрированная решетка сменяется простой кубической. Объем увеличивается на 1%.

Графит. Имеет место sp²-гибридизация электронных орбит углерода. Расстояние между атомами гексагона 0,142 нм. Расстояние между графитовыми слоями 0,335 нм.

Графен – углеродная пленка толщиной в один атом, был получен в 2004 году группой Андре Гейма из Манчестерского университета. Графен можно представить себе как двумерный «срез» кристаллической гексагональной решетки графита.