Введение в нанотехнологию. Рухов А.В - 6 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

В 1985 г. интернациональная группа учёных – Роберт Керл, Харолд Крото, Ричард Смолли, Хис и О’Брайен – при
моделировании процессов в атмосфере гигантских красных углеродных звёзд исследовали масс-спектры паров графита,
полученных при лазерном облучении (абляции) твёрдого образца, и обнаружили пики с максимальной амплитудой,
соответствующие кластерам, состоящие из 60 и 70 атомов углерода. Они предположили, что данные пики отвечают
молекулам С60 и С70, и выдвинули гипотезу, что молекула С60 имеет форму усечённого икосаэдра. Для молекулы С70 была
предложена структура с более вытянутой эллипсоидальной формой. По предложению Харолда Крото полиэдрические
кластеры углерода получили название фуллеренов, а наиболее распространённая молекула С60 – бакминстерфуллерена, по
имени американского архитектора Бакминстера Фуллера, применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и
шестиугольники, являющиеся основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов.
Требуется отметить, что уже в 1984 г. были опубликованы экспериментальные результаты, свидетельствующие о
преобладании молекулы С60 в спектре углеродных кластеров
1
.
Предположение о структуре бакминстерфуллерена, выдвинутое группой Крото–Кёрл–Смолли, было всего лишь
гипотезой, не противоречащей полученным экспериментальным результатам. Полученные им результаты масс-
спектроскопии позволяют судить лишь о массе молекулы, а не о её структуре. Напрямую подтвердить или опровергнуть
гипотезу о фуллерене позволило бы применение структурно-чувствительных методов исследования, например
спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), однако использование данных методов исследований требует
микроскопических объемов материала, которые невозможно получить лазерной абляцией.
Возможность структурного анализа появилась в 1990 г., благодаря разработке объединённой группой Вольфганга
Крёчмера (Гейдельберг, ФРГ) и Дональда Хафмана (Таксон, США) простого и производительного способа получения
макроскопических количеств фуллеренов С60, С70, С80 и т.д. Метод Крёчмера–Хафмана основан на использовании разряда
между двумя графитовыми электродами в атмосфере гелия. Излучение разряда приводит к испарению графита и
образованию углеродной сажи, состоящей из различных фуллеренов и углеводородных соединений. Дальнейшее разделение
сажи на составляющие и выделение чистых фуллеренов основано на растворении последних в органическом растворителе и
последующей жидкостной хроматографии.
Окрытие Крёчмера–Хафмана обеспечило прорыв в получении фуллеренов в количествах, достаточных для применения
структурно-чувствительных методов: ЯМР-спектроскопии, инфракрасной спектроскопии, спектроскопии комбинационного
рассеяния света, рентгеновской дифрактометрии и др. Гипотеза о структуре бакминстерфуллерена была полностью
подтверждена.
В 1996 г. Нобелевская премия по химии была присуждена Крото, Кёрлу и Смолли за экспериментальное открытие
фуллеренов.
Требуется отметить, что решающую роль в формировании гипотезы о структуре молекул фуллеренов группой Крото–
Кёрл–Смолли сыграло применение теоремы Эйлера о соотношении числа граней, вершин и рёбер в выпуклых многогранниках,
которые ещё называют платоновскими телами.
Теорема Леонардо Эйлера устанавливает соотношение между гранями, рёбрами и вершинами выпуклых
многогранников: сумма количества вершин и разности количества граней и рёбер равна 2:
Г – Р + В = 2, (1)
где Г – количество граней; Р – количество ребер; В – количество вершин.
Рассмотрим следствие из теоремы Эйлера, непосредственно относящееся к семейству углеродных молекул – выпуклых
многогранников, состоящих только из
h
шестиугольных и
р
пятиугольных граней. Тогда:
Г =
p
+
h
. (2)
Так как каждое ребро принадлежит двум, а каждая вершина – трём соседним граням, то получаем:
2P = 5
p
+ 6
h
;
(3)
3B = 5
p
+ 6
h.
(4)
Преобразовав уравнения (2) – (4) (умножив левую и правую части уравнения (2) на 6, уравнения (3) на –3, уравнения (4)
на 2) и просуммировав, получаем:
6 (Г – Р + В) =
р.
(5)
В соответствии с уравнением (1) получаем:
p
= 12 ; (6)
В = 20 + 2
h
= 2(10 +
h
) . (7)
Из выражений (6), (7) следует, что в любой молекуле фуллерена может быть только 12 пятиугольников, образующих
требуемую кривизну графенового листа для создания замкнутого каркаса. Минимальное количество атомов углерода,
способных образовать замкнутую каркасную молекулу, состоящую только из пятиугольников, равно 20. Такая молекула
1
Rohlfing E.A., Cox D.M., Kaldor A.J. Chem Phys. 81, 3322 (1984).

Страницы