13 сентября этого года исполнилось 25 лет как была подана статья о синтезе фуллерена С60 в журнал Nature. По праву эту молекулу можно назвать «визитной карточкой» нанотехнологий, она настолько интересна, что ее часто изображают на обложках учебных пособий, научных и научно-популярных книг и журналов.

А 4 сентября 2010 г. изображение структуры С60 разместили в логопите Google, в ознаменование 25-летия синтеза фуллерена.

Рис. 1. Изображение структуры С60 разместили в логопите Google.

Действительно, 25 лет назад была опубликована статья: H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O'Brien, R. F. Curl and R. E. Smalley. ‹C60: Buckminsterfullerene› Nature, 318(No.6042), 162–163,(1985). Авторам удалось обнаружить молекулы фуллерена при исследовании масс-спектров паров графита после лазерного облучения твердого образца (статья в открытом доступе на сайте журнала).

Рис. 2. Аннотация статьи ‹C60: Buckminsterfullerene›.

А спустя 11 лет Robert F. Curl Jr. Sir Harold W. Kroto, Richard E. Smalley получили Нобелевскую премию в области химии 1996 года за открытие фуллерена.

Рис. 3. Лауреаты Нобелевской премии в области химии 1996 года за открытие фуллерена.

В 1992 г. в Шуньгских антраксолитах Карелии были впервые обнаружены фуллерены (Fullerenes from the Geological Environment. Peter R. Buseck , Semeon J. Tsipursky , and Robert Hettich (Science 10 July 1992: Vol. 257. no. 5067, pp. 215 – 217). Это событие было воспринято с большим энтузиазмом, поскольку появилась надежда на получение природного источника фуллеренов. В последние годы наблюдается также некоторый бум в рекламировании чудодейственных свойств и антраксолитов, и шунгитоносных пород Карелии.

А летом 2010 года впервые были обнаружены фуллерены в космосе и третьего сентября 2010 года была опубликована статья Jan Cami, Jeronimo Bernard-Salas, Els Peeters, Sarah Elizabeth Malek «Detection of C60 and C70 in a Young Planetary Nebula» в журнале Science 3 September 2010: Vol. 329. no. 5996, pp. 1180 – 1182 (заметка Science Express появилась 22 июля 2010 г).

Рис. 4. Спектр с линиями С60 и С70 http://www.physics.uwo.ca/…kyballs.html.

Это открытие было сделано при помощи инфракрасного телескопа Spitzer (NASA). Исследователи из университета Западного Онтарио (Канада) и Корнельского университета смогли обнаружить фуллерены в туманности Tc1 по характерному спектру в инфракрасном диапазоне. Нобелевский лауреат сэр Гарольд Крото так прокомментировал это открытие:

Это самый потрясающий прорыв в исследовании фуллеренов. Ваше открытие предоставляет свидетельства того, что фуллерены, как я и давно подозревал, существовали с незапамятных времен в темных глубинах нашей галактики, но они только обозначают свое присутствие мельком, как таинственный персонаж фильма «Третий человек» в исполнении Орсона Уэллса".

Фуллерены (было и альтернативное название – «футболен») названы в честь американского архитектора Бакминстера Фуллера. Как известно, Гарольд Крото, всерьез увлекавшийся графическим дизайном, видел 76−метровую фуллеровскую сферу на выставке в Монреале. Место фуллерену нашлось даже в виртуальном ландшафте игры «Цивилизация», а памятники ему есть в Университете Шеффилда в Великобритании, в Национальном парке штата Орегон США, а также в Китае. Интересно, что «изображение фуллерена» можно найти в книге Луки Пачоли «Божественная пропорция», проиллюстрированной Леонардо да Винчи.

Рис. 5. Слева – марка США, выпущенная в честь Бакминстера Фуллера, внедрившего в практику сферы из ажурных решеток. Аналогичным образом устроены молекулы, названные его именем. Справа – Casa Magnana в Fort Worth – одно из зданий, спроектированных Фуллером.

Рис. 6. Фонтан в Петрозаводске на Студенческом бульваре. По-видимому, конструкция справа должна напоминать, что именно в Карельском шунгите были впервые обнаружены природные фуллерены.

Рис. 7. Биосфера Фуллера (Павильон США на Экспо-67, ныне музей «Биосфера» в Монреале, Канада, Photography © 2001 Cеdric THЕVENET Wikipedia).

Рис. 8. Усеченный икосаэдр (Ycocedron Abscisus). Рисунок Леонардо да Винчи. Иллюстрация к книге Луки Пачоли «Божественная пропорция». 1509. Leonardo da Vinci's polyhedra.

Фуллерен С60 – правильный многогранник, в вершинах которого расположены 60 атомов углерода, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников (и напоминающий футбольный мяч). В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен является новой формой углерода по существу. Молекула С60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Поэтому следует признать, что молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) –это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.

Рис. 9. Памятник фуллерену есть и в Китае, г. Дайлян.

Из правильных шестиугольников легко выкладывается плоская поверхность, однако ими не может быть сформирована замкнутая поверхность. Для этого необходимо часть шестиугольных колец разрезать и из разрезанных частей сформировать пятиугольники. В фуллерене плоская сетка шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Образуется структура – усеченный икосаэдр, который имеет 10 осей симметрии третьего порядка, б осей симметрии пятого порядка. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками .Каждый атом углерода в молекуле C60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода ,образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы С60 0,357 нм. Длина связи С—С в пятиугольнике – 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм.

Вслед за объемными сферами ученые научились получать и другие структуры: плоские листы графена и нанотрубки (однослойные и многослойные).

Серебряному юбилею фуллерена посвящен Международный симпозиум, который пройдет на Крите в октябре этого года.

Рис. 10.

P.S. Фуллерен можно назвать и «зеркалом нанотехнологий», так как структура его одинаково интересна и химикам, и физикам, и биологам, и математикам … А при изучении его уникальных свойств и разработке его применений без мультидисциплинарного подхода и междисциплинарных связей не обойтись.

По материалам: