Международная группа исследователей наблюдала самопроизвольное образование самого маленького к настоящему времени по размеру фуллерена вокруг стабилизирующих его атомов металла.

Исследователи надеются, что фуллерен, содержащий 28 атомов углерода и окружающий одиночный атом такого металла, как титан, цирконий или уран, может оказаться полезным материалом с перспективными свойствами, такими как, например, высокотемпературная проводимость.

Фуллерены представляют собой аллотропную форму углерода, состоящую из молекул каркасного строения. Первый фуллерен – бакминстерфуллерен был синтезирован в 1985 году, он представлял собой полую сферу, состоящую из 60 атомов углерода, и с того времени было получено достаточно большое количество меньших по размеру сферических фуллеренов. Чем меньше размер фуллерена, тем выше кривизна его поверхности и, таким образом, такой фуллерен может проявлять необычные физические и химические свойства. Например, было предсказано, что

фуллерен, состоящий из двадцати восьми атомов углерода, C28, должен обладать свойствами высокотемпературного сверхпроводника.

Рис. 1. Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2012, DOI: 10.1021/ja302398h.

К сожалению, высокая кривизна поверхности фуллеренов небольшого размера приводит к тому, что эти соединения обладают значительной реакционной способностью, что затрудняет возможности их получения и даже обнаружения экспериментальными методами. Исследователи выяснили, что

стабильность C28 может быть увеличена за счет инкапсулирования в полость фуллерена атомов металла, однако при первых попытках получения соединений включения фуллерен-металл в газовой фазе среди продуктов реакции фуллерены или их соединения включения обнаружены не были.

Исследователям из группы Харольда Крото (Harold Kroto) из Университета Флориды, разделившего в 1996 году Нобелевскую Премию по химии за открытие фуллеренов с Робертом Керлом (Robert F. Curl) и Ричардом Смайли (Richard E. Smalley) удалось решить эту проблему. Исследователи использовали лазер для испарения углеродного стержня, легированного титаном, цирконием или ураном, после чего исследовали состав паров с помощью одной из разновидностей масс-спектрометрии, отличающейся достаточно хорошей разрешающей способности. Исследователям удалось зафиксировать в парах соединения включения состава M@C28 (где M – Ti, Zr или U).

Крото отмечает, что M@C28 могут быть достаточно стабильными для их выделения и изучения их свойств. Высокая кривизна внешней поверхности C28 приводит к тому, что четыре атома углерода фуллерена расположены в вершинах пирамиды, эти атомы могут связываться с другими частицами. Таким образом,

фуллерен C28 можно рассматривать, как огромный тетрагональный атом углерода. Для таких систем предполагалось возможность проявления высокотемпературной сверхпроводимости, и теперь эту догадку можно будет проверить.

Специалист по теоретической химии Томас Хайне (Thomas Heine) не уверен, что с помощью нового метода можно будет получить достаточное количество M@C28 для дальнейшего исследования – он предполагает, что при конденсации из газовой фазы молекулы фуллерена будут взаимодействовать друг с другом. Его мнение разделяет и Бернд фон Иссендорфф(Bernd von Issendorff), утверждающий, что для «наработок» достаточных количеств M@C28 требуется другой, более надежный метод синтеза. Тем не менее, фон Иссендорфф высоко оценивает работу Крото, заявляя, что она раскрывает еще одну тайну в образовании фуллеренов.