Просмотр кода страницы Фуллерен

[[Файл:Fullerene C60.jpg|thumb|Фуллерен С<sub>60</sub>]]
[[Файл:Buckminsterfullerene animated.gif|thumb|Вид вращающегося бакибола C<sub>60</sub>.]]
[[Файл:Fullerene c540.png|thumb|Фуллерен C<sub>540</sub>]]
'''Фуллере́н''' — молекулярное соединение, представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из трёхкоординированных [[атом]]ов [[углерод]]а. [[Прорыв года (Science)|Молекула года]] (1991)<ref>{{статья |заглавие=Molecule of the Year |издание=[[Science]] |том=254 |номер=5039 |страницы=1705 |doi=10.1126/science.254.5039.1705 |bibcode=1991Sci...254.1705K |язык=en |автор=D. E. Koshland, Jr. |год=1991 |тип=journal}}</ref>

Своим названием фуллерены обязаны инженеру и архитектору [[Фуллер, Ричард Бакминстер|Ричарду Бакминстеру Фуллеру]], чьи [[Геодезический купол|геодезические конструкции]] построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из ''n'' вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно [[теорема Эйлера для многогранников|теореме Эйлера для многогранников]], утверждающей справедливость равенства <math>|n|-|e|+|f| = 2</math> (где <math>|n|, |e|</math> и <math>|f|</math> соответственно количество вершин, ребер и граней), необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и <math>n/2-10</math> шестиугольных граней. Если в состав молекулы фуллерена, помимо атомов углерода, входят атомы других химических элементов, то, если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются [[эндоэдральные фуллерены|эндоэдральными]], если снаружи — экзоэдральными<ref>Сидоров Л. Н., Иоффе И. Н. [https://web.archive.org/web/20060116232353/http://journal.issep.rssi.ru/articles/pdf/0108_030.pdf Эндоэдральные фуллерены] // [[Соросовский образовательный журнал]], 2001, № 8, с.31</ref>.

В природном виде содержатся в [[шунгит]]е и морском воздухе.

== История открытия ==
В 1985 году группа исследователей — [[Кёрл, Роберт|Роберт Кёрл]], [[Крото, Харольд|Харольд Крото]], [[Смолли, Ричард|Ричард Смолли]]<ref name=nano1>{{cite web|last = Слюсар|first = В.И.|title = Наноантенны: подходы и перспективы. - C. 58 - 65.|work = Электроника: наука, технология, бизнес. – 2009. - № 2.|date = 2009|pages = C. 58|url = http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_178_132.pdf|access-date = 2020-06-13|archive-date = 2021-06-03|archive-url = https://web.archive.org/web/20210603073535/https://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_178_132.pdf|deadlink = no}}</ref>, Хис и О’Брайен — исследовали масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении ([[Лазерная абляция|абляции]]) твёрдого образца, и обнаружили пики с максимальной амплитудой, соответствующие [[Кластер (химия)|кластерам]], состоящим из 60 и 70 атомов углерода<ref>Kroto H. W., Heath J. R., O’Brien S. C., et. al. C<sub>60</sub>: Buckminsterfullerene // Nature 318, 162 (1985) {{DOI|10.1038/318162a0}}</ref>. Они предположили, что данные пики отвечают молекулам С<sub>60</sub> и С<sub>70</sub> и выдвинули гипотезу, что молекула С<sub>60</sub> имеет форму [[усечённый икосаэдр|усечённого икосаэдра]] симметрии I<sub>h</sub>. Полиэдрические кластеры углерода получили название '''фуллеренов''', а наиболее распространённая молекула С<sub>60</sub> — {{iw|бакминстерфуллерен|бакминстерфуллерена|en|buckminsterfullerene}} (также её называют '''бакибо́лом''' или '''букибо́лом''', {{lang-en|buckyball}})<ref name=nano1 />, по имени американского архитектора [[Фуллер, Ричард Бакминстер|Бакминстера Фуллера]], применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники, являющиеся основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов.

Открытие фуллеренов имеет свою предысторию: возможность их существования была предсказана ещё в 1971 году в Японии<ref>Osawa E. Kagaku (Kyoto), V.25, P.854 (1971); Chem. Abstr. V.74 (1971)</ref> и теоретически обоснована в 1973 году в [[СССР]]<ref>{{статья|автор=Бочвар Д. А., Гальперн Е. Г.|заглавие=О гипотетических системах: карбододекаэдре, s-икосаэдране и карбо-s-икосаэдре|издание=[[Доклады АН СССР]]|том=209|номер=3|страницы=610|год=1973}}</ref>. За открытие фуллеренов Крото, Смолли и Кёрлу в [[1996 год]]у была присуждена [[Нобелевская премия по химии]]<ref>{{Cite web |url=http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/ |title=Нобелевская премия по химии за 1996 год |access-date=2008-03-18 |archive-date=2012-10-19 |archive-url=https://web.archive.org/web/20121019081035/http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/ |deadlink=no }}</ref>. Единственным способом получения фуллеренов в настоящий момент (октябрь 2007) является их искусственный синтез. В течение ряда лет эти соединения интенсивно изучали в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Установлено, в частности, что фуллерены в значительном количестве содержатся в [[сажа|саже]], образующейся в [[дуговой разряд|дуговом разряде]] на графитовых электродах<ref name=nano1 /> — их раньше просто не замечали (см. [[#Синтез|ниже]]).

== Фуллерены в природе ==
После получения в лабораторных условиях фуллерены были найдены в некоторых образцах [[шунгит]]ов Северной Карелии<ref>''Buseck P.R, Tsipursky S.J, Hettich R.'' [http://www.sciencemag.org/content/257/5067/215.abstract Fullerenes from the Geological Environment] {{Wayback|url=http://www.sciencemag.org/content/257/5067/215.abstract |date=20140531104728 }} (англ.) // [[Science]]. (1992) 257(5067): 215—217 DOI: 10.1126/science.257.5067.215</ref><ref>''Юшкин Н. П.''. Глобулярная надмолекулярная структура шунгита: данные растровой туннельной микроскопии. // [[Доклады Академии наук|ДАН]]. (1994) 337(6): 800—803.</ref><ref>В. А. ''Резников. Ю. С. Полеховский''. Аморфный шунгитовый углерод — естественная среда образования фуллеренов. // [[Письма в ЖЭТФ]]. (2000) 26(15): 94-102.</ref> в [[фульгурит]]ах США и Индии<ref>''Daly T.K., Buseck P.R., Williams P. and Lewis C.F.'' [http://www.sciencemag.org/content/259/5101/1599.short Fullerenes from a fulgurite] {{Wayback|url=http://www.sciencemag.org/content/259/5101/1599.short |date=20150924144141 }}(англ.) [[Science]] // (1993) 259: 1599—1601 DOI: 10.1126/science.259.5101.1599</ref>, [[метеорит]]ах<ref>''Buseck P.R''. [http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X02008191 Geological fullerenes: review and analysis] {{Wayback|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X02008191 |date=20150924152206 }}.(англ.) // Earth and Planetary Science Letters. (2002) 203(I 3-4): 781—792 DOI: 10.1016/S0012-821X(02)00819-1</ref> и [[Донные отложения|донных отложениях]], возраст которых достигает 65 миллионов лет<ref>''Parthasarathy G. et al''. Natural fullerenes from the Cretaceous-Tertiary boundary layer at Anjar, Kutch.(англ.) // [http://specialpapers.gsapubs.org/ Geological Society of America Special Papers] {{Wayback|url=http://specialpapers.gsapubs.org/ |date=20141002221939 }} (2002) 356: 345—350 DOI:10.1130/0-8137-2356-6.345</ref>.

На [[Земля|Земле]] фуллерены образуются при горении [[Природный газ|природного газа]] и разряде [[Молния|молнии]]<ref>''Buseck P.R''. [http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X02008191 Geological fullerenes: review and analysis] {{Wayback|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X02008191 |date=20150924152206 }}. (англ.)// Earth and Planetary Science Letters. (2002) 203(I 3-4): 781—792 DOI: 10.1016/S0012-821X(02)00819-1<</ref>. Летом 2011 года были опубликованы результаты исследований проб воздуха над [[Средиземное море|Средиземным морем]]: во всех 43 образцах воздуха, взятых от [[Барселона|Барселоны]] до [[Стамбул]]а, были обнаружены фуллерены<ref>''Sanchís J et al.'' [http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es200758m?journalCode=esthag Occurrence of aerosol-bound fullerenes in the Mediterranean Sea atmosphere] {{Wayback|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es200758m?journalCode=esthag |date=20210811000113 }}.(англ.) // Environ Sci Technol. (2012). 46(3): 1335-43. DOI: 10.1021/es200758m</ref>.

Фуллерены в больших количествах были обнаружены и в [[Космос (астрономия)|космосе]]: в 2010 году в виде [[газ]]а<ref>''Cami J. et al.''. [http://www.sciencemag.org/content/329/5996/1180.abstract Detection of C60 and C70 in a Young Planetary Nebula] {{Wayback|url=http://www.sciencemag.org/content/329/5996/1180.abstract |date=20140812051723 }} (англ.)// [[Science]]. (2010) 329(5996): 1180—1182 — DOI: 10.1126/science.1192035</ref>, в 2012 году — в твёрдом виде<ref>''Evans A. et al.'' [http://mnrasl.oxfordjournals.org/content/421/1/L92 Solid-phase C-60 in the peculiar binary XX Oph?] {{Wayback|url=http://mnrasl.oxfordjournals.org/content/421/1/L92 |date=20151011232654 }} (англ.)[http://mnrasl.oxfordjournals.org/ MNRAS Letters] {{Wayback|url=http://mnrasl.oxfordjournals.org/ |date=20140922193739 }}. (2012) 421(1): L92-L96</ref>.

== Структурные свойства ==
Молекулярное образование углерода в форме [[усечённый икосаэдр]] имеет массу 720 [[Атомная единица массы|а. е. м.]] В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — [60]фуллерен (C<sub>60</sub>), в котором углеродные атомы образуют [[усечённый икосаэдр]], состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий [[Футбольный мяч#Конструкция|футбольный мяч]] (как идеальная форма, крайне редко встречающаяся в природе). Так как каждый атом углерода фуллерена С<sub>60</sub> принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С<sub>60</sub> эквивалентны, что подтверждается спектром [[ядерный магнитный резонанс|ядерного магнитного резонанса]] (ЯМР) изотопа <sup>13</sup>С — он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1,39 [[ангстрем|Å]], а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1,44 Å<ref name="bel_budt">Белоусов В. П., Будтов В. П., Данилов О. Б., Мак А. А. Оптический Журнал, т.64, № 12, с.3 (1997)</ref>. Кроме того, связь первого типа двойная, а второго — одинарная, что существенно для химии фуллерена С<sub>60</sub>. В действительности изучение свойств фуллеренов полученных в больших количествах показывают распределение их объективных свойств (химическая и сорбционная активности) на 4 устойчивых изомера фуллерена<ref>* Герасимов В. И. «Изомеры фуллеренов», журнал [http://www.ipme.ru/e-journals/MPM/no_12014/MPM120_04_gerasimov.pdf Физика и механика материалов] {{Wayback|url=http://www.ipme.ru/e-journals/MPM/no_12014/MPM120_04_gerasimov.pdf |date=20150207123937 }} ISSN 16052730 volume 20 No 1 с.25-31</ref>, свободно определяемые по различному времени выхода из сорбционной колонки жидкостного хроматографа высокого разрешения. При этом атомная масса всех четырёх изомеров равнозначна — имеет массу 720 [[Атомная единица массы|а. е. м.]]

Следующим по распространённости является фуллерен C<sub>70</sub>, отличающийся от фуллерена C<sub>60</sub> вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C<sub>60</sub>, в результате чего молекула 34 является вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в [[регби]].

Так называемые {{нп5|высшие фуллерены|||Higher fullerenes}}, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить C<sub>''n''</sub>, ''n''=74, 76, 78, 80, 82 и 84.

== Синтез ==
Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров [[графит]]а, получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в [[1990 год]]у [[Кретчмер, Вольфганг|В. Кретчмером]], Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере [[гелий|гелия]] при низких давлениях<ref>Kratschmer W., Lamb L.D., Fostiropoulos K., Huffman D.R. Nature, V.347, № 354 (1990)</ref>. В процессе эрозии [[анод]]а на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Сажу растворяют в бензоле или толуоле и из полученного раствора выделяют в чистом виде граммовые количества молекул С<sub>60</sub> и С<sub>70</sub> в соотношении 3:1 и примерно 2 % более тяжёлых фуллеренов<ref>{{книга |автор=Г.П.Ковтун, А.А.Веревкин. |заглавие=Наноматериалы: технологии и материаловедение. Обзор |место=Харьков|издательство=ННЦ ХФТИ |год=2010 |страниц=73}}</ref>. Впоследствии удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.

На первых порах все попытки экспериментаторов найти более дешёвые и производительные способы получения граммовых количеств фуллеренов (сжигание [[углеводороды|углеводородов]] в пламени<ref>Ozawa M., Deota P., Ozawa E., Fullerene Sci. Technol. V. 7. № 3. P. 387—409 (1999)</ref>, химический синтез<ref>Diederich F., Nature. V. 369. P. 199—207 (1994)</ref> и др.) к успеху не привели и метод «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час)<ref>Богданов А. А., Дайнигер Д., Дюжев Г. А. [[ЖТФ]]. Т. 70, № 5. С. 1 (2000)</ref>. Впоследствии фирме [[Mitsubishi]] удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат [[кислород]], и поэтому дуговой метод по-прежнему остаётся единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.

Механизм образования фуллеренов в дуге до сих пор остаётся неясным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С<sub>2</sub>). Для доказательства в качестве анодного электрода использовался графит <sup>13</sup>С высокой степени очистки, другой электрод был из обычного графита <sup>12</sup>С. После экстракции фуллеренов было показано методом [[Ядерный магнитный резонанс|ЯМР]], что атомы <sup>12</sup>С и <sup>13</sup>С расположены на поверхности фуллерена хаотично. Это указывает на распад материала графита до отдельных атомов или фрагментов атомного уровня и их последующую сборку в молекулу фуллерена. Данное обстоятельство заставило отказаться от наглядной картины образования фуллеренов в результате сворачивания атомных графитовых слоёв в замкнутые сферы.

Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки привели к существенному снижению стоимости С<sub>60</sub> за последние 17 лет — с 10 тыс. до 10-15 долл. за грамм<ref name="vul">Вуль А. Я. Материалы электронной техники. № 3. С. 4 (1999)</ref>, что подвело к рубежу их реального промышленного использования.

Несмотря на оптимизацию [[Метод Хаффмана — Кретчмера|метода Хаффмана — Кретчмера]] (ХК), повысить выход фуллеренов более 10-20 % от общей массы сожжённого графита не удаётся. Из-за относительно высокой стоимости начального продукта — графита, этот метод имеет принципиальные ограничения. Многие исследователи полагают, что снизить стоимость фуллеренов, получаемых методом ХК, ниже нескольких долларов за грамм не удастся. Поэтому усилия ряда исследовательских групп направлены на поиск альтернативных методов получения фуллеренов. Наибольших успехов в этой области достигла фирма [[Мицубиси]], которой удалось наладить промышленный выпуск фуллеренов методом сжигания [[углеводород]]ов в пламени. Стоимость таких фуллеренов составляет около 5 долл./грамм (2005 год), что никак не повлияло на стоимость электродуговых фуллеренов.

Высокую стоимость фуллеренов определяет не только их низкий выход при сжигании графита, но и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из углеродной сажи. Обычный подход состоит в следующем: сажу, полученную при сжигании графита, смешивают с [[толуол]]ом или другим органическим растворителем (способным эффективно растворять фуллерены), затем смесь фильтруют или отгоняют на [[центрифуга|центрифуге]], а оставшийся раствор выпаривают. После удаления растворителя остается тёмный мелкокристаллический осадок — смесь фуллеренов, называемый обычно фуллеритом. В состав фуллерита входят различные кристаллические образования: мелкие кристаллы из молекул С<sub>60</sub> и С<sub>70</sub> и кристаллы С<sub>60</sub>/С<sub>70</sub>, являются твёрдыми растворами. Кроме того, в фуллерите всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3 %). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью [[жидкостная хроматография|жидкостной хроматографии]] на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления (ЖХВД). Последняя используется главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов, так как аналитическая чувствительность метода ЖХВД очень высока (до 0,01 %). Наконец, последний этап — удаление остатков растворителя из твёрдого образца фуллерена. Оно осуществляется путём выдерживания образца при температуре 150—250&nbsp;°C в условиях динамического вакуума (около 0,1 [[торр]]).

== Физические свойства и прикладное значение ==

=== Фуллериты ===
Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются [[фуллерит]]ами. Наиболее изученная система такого рода — кристалл С<sub>60</sub>, менее — система кристаллического С<sub>70</sub>. Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения.

Атомы углерода в молекуле фуллерена связаны [[Сигма-связь|σ-]] и [[Пи-связь|π-связями]], в то время как химической связи (в обычном смысле этого слова) между отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. Поэтому в конденсированной системе отдельные молекулы сохраняют свою индивидуальность (что важно при рассмотрении электронной структуры кристалла). Молекулы удерживаются в кристалле [[Силы Ван-дер-Ваальса|силами Ван-дер-Ваальса]], определяя в значительной мере макроскопические свойства твёрдого C<sub>60</sub>.

При комнатных температурах кристалл С<sub>60</sub> имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) [[кристаллическая решётка|решётку]] с постоянной 1,415 нм, но при понижении температуры происходит фазовый переход первого рода (Т<sub>кр</sub>≈260 [[Кельвин|К]]) и кристалл С<sub>60</sub> меняет свою структуру на простую кубическую (постоянная решётки 1,411 нм)<ref>Елецкий А. В., Смирнов Б. М. // УФН. — Т. 163, № 2. — С. 33 (1993)</ref>. При температуре Т &gt; Т<sub>кр</sub> молекулы С<sub>60</sub> хаотично вращаются вокруг своего центра равновесия, а при её снижении до критической две оси вращения замораживаются. Полное замораживание вращений происходит при 165 К. Кристаллическое строение С<sub>70</sub> при температурах порядка комнатной подробно исследовалось в работе<ref>Vaughan G. B. M. et al. Science, V. 254, P. 1350 (1991)</ref>. Как следует из результатов этой работы, кристаллы данного типа имеют объёмноцентрированную (ОЦК) решётку с небольшой примесью гексагональной фазы.

=== Нелинейные оптические свойства ===
Анализ электронной структуры фуллеренов показывает наличие π-электронных систем, для которых имеются большие величины нелинейной восприимчивости. Фуллерены действительно обладают нелинейными оптическими свойствами. Однако из-за высокой симметрии молекулы С<sub>60</sub> генерация второй гармоники возможна только при внесении асимметрии в систему (например внешним электрическим полем). С практической точки зрения привлекательно высокое быстродействие (~250 пс), определяющее гашение генерации второй гармоники. Кроме того фуллерены С<sub>60</sub> способны генерировать и третью гармонику<ref name="bel_budt" />.

Другой вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь, С<sub>60</sub> являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины волны 532 нм<ref name="vul" />. Малое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и [[Модулятор добротности|модуляторов добротности]]. Однако, по ряду причин фуллеренам трудно конкурировать здесь с традиционными материалами. Высокая стоимость, сложности с диспергированием фуллеренов в стёклах, способность быстро окисляться на воздухе, далеко не рекордные коэффициенты нелинейной восприимчивости, высокий порог ограничения оптического излучения (не пригодный для защиты глаз) создают серьёзные трудности в борьбе с конкурирующими материалами.

=== Квантовая механика и фуллерен ===
В [[1999 год]]у исследователи из Университета Вены продемонстрировали применимость [[Корпускулярно-волновой дуализм|корпускулярно-волнового дуализма]] к молекулам фуллеренов C<sub>60</sub><ref>{{cite doi|10.1038/44348}}</ref><ref>{{Cite web |url=http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1156925 |title=Квантовые свойства фуллерена |access-date=2010-03-30 |archive-date=2012-01-12 |archive-url=https://web.archive.org/web/20120112073500/http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1156925 |deadlink=no }}</ref>.

=== Гидратированный фуллерен (HyFn);(С<sub>60</sub>(H<sub>2</sub>O)n) ===
[[Файл:Fullerene in water.jpg|thumb|Водный раствор C<sub>60</sub>HyFn с концентрацией 0,22 мг/мл (C<sub>60</sub>)]]
Гидратированный фуллерен С<sub>60</sub> — C<sub>60</sub>HyFn — это прочный, гидрофильный супрамолекулярный комплекс, состоящий из молекулы фуллерена С<sub>60</sub>, заключенной в первую гидратную оболочку, которая содержит 24 молекулы воды: C<sub>60</sub>(H<sub>2</sub>O)<sub>24</sub>. Гидратная оболочка образуется вследствие донорно-акцепторного взаимодействия неподеленных [[электронная пара|пар электронов]] кислорода молекул воды с электрон-акцепторными центрами на поверхности фуллерена. При этом молекулы воды, ориентированные вблизи поверхности фуллерена, связаны между собой объёмной сеткой водородных связей. Размер C<sub>60</sub>HyFn соответствует 1,6-1,8 нм. В настоящее время, максимальная концентрация С<sub>60</sub>, в виде C<sub>60</sub> HyFn, которую удалось создать в воде, эквивалентна 4 мг/мл.<ref>G. V. Andrievsky, M. V. Kosevich, O. M. Vovk, V. S. Shelkovsky, L. A. Vashchenko. ON THE PRODUCTION OF AN AQUEOUS COLLOIDAL SOLUTION OF FULLERENES. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 12 (1995) 1281—1282.</ref><ref>G. V. Andrievsky, V. K. Klochkov, A. Bordyuh, G. I. Dovbeshko. COMPARATIVE ANALYSIS OF TWO AQUEOUS-COLLOIDAL SOLUTIONS OF C60 FULLERENE WITH HELP OF FT-IR REFLECTANCE AND UV-VIS SPECTROSCOPY. Chem. Phys. Letters, 364 (2002) 8-17.</ref><ref>G. V. Andrievsky, V. K. Klochkov, L. I. Derevyanchenko. Is C<sub>60</sub> fullerene molecule toxic?! Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 13 (4), (2005) 363-37</ref><ref>G. V. Andrievsky, V. I. Bruskov, A. A. Tykhomyrov, S. V. Gudkov. Peculiarities of the antioxidant and radioprotective effects of hydrated c60 fullerene nanostuctures in vitro and in vivo. Free Radical Biology & Medicine, 47 (2009) 786—793.</ref><ref>{{Cite web |url=http://www1.lsbu.ac.uk/water/buckmin.html |title=Fullerene (C60 and C70) aqueous solutions<!-- Заголовок добавлен ботом --> |accessdate=2010-02-06 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20111231062542/http://www.lsbu.ac.uk/water/buckmin.html |archivedate=2011-12-31 |deadlink=yes }}</ref>{{Уточнить ссылку}}

=== Фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники ===
Молекулярный кристалл фуллерена является [[полупроводник]]ом с шириной [[запрещённая зона|запрещённой зоны]] ~1.5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика (единицы нс). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента<ref>Y. Wada, M. Tsukada, M. Fujihira, K. Matsushige, T. Ogawa et al., «Prospects and Problems of Single Molecule Information Devices», Jpn. J. Appl. Phys., V. 39, Part 1, N 7A, pp. 3835-3849 (2000)</ref>.

=== Фуллерен как фоторезист ===
Под действием видимого (&gt; 2 эВ), [[Ультрафиолетовое излучение|ультрафиолетового]] и более коротковолнового излучения фуллерены [[Полимеризация|полимеризуются]] и в таком виде не растворяются [[Растворитель|органическими растворителями]]. В качестве иллюстрации применения фуллеренового фоторезиста можно привести пример получения субмикронного разрешения (≈20 [[нм]]) при [[Травление|травлении]] кремния электронным пучком с использованием маски из полимеризованной плёнки С<sub>60</sub><ref name="vul" />.
{{также|Технологический процесс в электронной промышленности}}

=== Фуллереновые добавки для роста алмазных плёнок методом CVD ===
Другой интересной возможностью практического применения является использование фуллереновых добавок при росте алмазных плёнок CVD-методом (Chemical Vapor Deposition). Введение фуллеренов в газовую фазу эффективно с двух точек зрения: увеличение скорости образования алмазных ядер на подложке и поставка строительных блоков из газовой фазы на подложку. В качестве строительных блоков выступают фрагменты С<sub>2</sub>, которые оказались подходящим материалом для роста алмазной плёнки. Экспериментально показано, что скорость роста алмазных плёнок достигает 0,6 мкм/ч, что в 5 раз выше, чем без использования фуллеренов. Для реальной конкуренции алмазов с другими полупроводниками в микроэлектронике необходимо разработать метод гетероэпитаксии алмазных плёнок, однако рост монокристаллических плёнок на неалмазных подложках остаётся пока неразрешимой задачей. Один из возможных путей решения этой проблемы — использование буферного слоя фуллеренов между подложкой и плёнкой алмазов. Предпосылкой к исследованиям в этом направлении является хорошая адгезия фуллеренов к большинству материалов. Перечисленные положения особенно актуальны в связи с интенсивными исследованиями алмазов на предмет их использования в микроэлектронике следующего поколения. Высокое быстродействие (высокая насыщенная дрейфовая скорость); максимальная, по сравнению с любыми другими известными материалами, теплопроводность и химическая стойкость делают алмаз перспективным материалом для электроники следующего поколения<ref name="vul" />.

=== Сверхпроводящие соединения с С<sub>60</sub> ===
Молекулярные кристаллы фуллеренов — [[полупроводник]]и, однако в начале 1991 года было установлено, что легирование твёрдого С<sub>60</sub> небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в [[сверхпроводимость|сверхпроводник]]. [[Легирование (полупроводники)|Легирование]] С<sub>60</sub> производят путём обработки кристаллов парами металла при температурах в несколько сотен градусов Цельсия. При этом образуется структура типа X<sub>3</sub>С<sub>60</sub> (Х — атом щелочного металла). Первым интеркалированным [[металл]]ом оказался [[калий]]. Переход соединения К<sub>3</sub>С<sub>60</sub> в сверхпроводящее состояние происходит при температуре 19 К. Это рекордное значение для молекулярных [[сверхпроводник]]ов. Вскоре установили, что сверхпроводимостью обладают многие фуллериты, легированные атомами щелочных металлов в соотношении либо Х<sub>3</sub>С<sub>60</sub>, либо XY<sub>2</sub>С<sub>60</sub> (X,Y — атомы [[Щелочные металлы|щелочных металлов]]). Рекордсменом среди высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) указанных типов оказался RbCs<sub>2</sub>С<sub>60</sub> — его Т<sub>кр</sub>=33 К<ref>Hebard A.F. Annu. Rev. Mater. Sci., V.23, P.159 (1993)</ref>.

=== Влияние малых добавок фуллереновой сажи на антифрикционные и противоизносные свойства [[Политетрафторэтилен|ПТФЭ]] ===
Присутствие фуллерена С<sub>60</sub> в минеральных [[смазка]]х инициирует на поверхностях контртел образование защитной фуллерено-полимерной плёнки толщиной 100 нм. Образованная плёнка защищает от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, [[термостабильность]] смазок до 400—500&nbsp;°C и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза, уменьшает время приработки контртел.

=== Другие области применения ===
В [[аккумулятор]]ах и электрических батареях используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые [[катод]]ы, содержащие [[Интеркаляция (химия)|интеркалированные]] фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения [[Искусственный алмаз|искусственных алмазов]] методом высокого [[Давление|давления]]. При этом выход алмазов увеличивается приблизительно на 30 %.

Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций.

Также фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для изготовления солнечных элементов.

== Химические свойства ==
Фуллерены, несмотря на отсутствие атомов водорода, которые могут быть замещены как в случае обычных [[ароматические соединения|ароматических соединений]], всё же могут быть функционализированы различными химическими методами. Например, успешно были применены такие реакции для функционализации фуллеренов, как [[реакция Дильса — Альдера]], [[реакция Прато]], [[реакция Бингеля]]. Фуллерены также могут быть прогидрированы с образованием продуктов от С<sub>60</sub>Н<sub>2</sub> до С<sub>60</sub>Н<sub>50</sub>.

== Медицинское значение ==

=== Антиоксиданты ===
Фуллерены являются мощнейшими [[антиоксиданты|антиоксидантами]], известными на сегодняшний день. В среднем они превосходят действие всех известных до них антиоксидантов в 100—1000 раз. Предполагается, что именно благодаря этому они способны значительно продлевать среднюю продолжительность жизни крыс<ref>Baati, T., Bourasset, F., Gharbi, N., Njim, L., Abderrabba, M., Kerkeni, A., Szwarc, H. & Moussa, F. (2012). [http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961212003237 The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of &#91;60&#93; fullerene] {{Wayback|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961212003237 |date=20150224100604 }}. Biomaterials, 33(19), 4936-4946.</ref><ref>Hendrickson, O. D., Morozova, O. V., Zherdev, A. V., Yaropolov, A. I., Klochkov, S. G., Bachurin, S. O., & Dzantiev, B. B. (2015). [http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/1536383X.2014.949695#.VPb59HysWNB  Study of distribution and biological effects of fullerene c60 after single and multiple intragastrical administrations to rats] {{Wayback|url=http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/1536383X.2014.949695#.VPb59HysWNB |date=20210810235958 }}. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 23(7), 658—668. {{DOI|10.1080/1536383X.2014.949695}}</ref><ref>ДжагаровД. Э. (2012). [http://biomolecula.ru/content/1057 Алхимия «волшебной сажи» — перспективы применения фуллерена С60 в медицине] {{Wayback|url=http://biomolecula.ru/content/1057 |date=20150402104233 }}. Биомолекула.ру</ref> и круглых червей<ref>Cong, W., Wang, P., Qu, Y., Tang, J., Bai, R., Zhao, Y., … & Bi, X. (2015). [http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961214012253  Evaluation of the influence of fullerenol on aging and stress resistance using Caenorhabditis elegans] {{Wayback|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961214012253 |date=20150924162716 }}. Biomaterials, 42, 78-86. {{doi|10.1016/j.biomaterials.2014.11.048}}</ref>. Предполагается, что фуллерен С<sub>60</sub>, растворённый в оливковом масле, может встраиваться в двухслойные липидные мембраны клеток и митохондрий и действовать как многоразовый антиоксидант<ref>[https://www.youtube.com/watch?v=XLZS1WQl_1E  Living Longer — C60 Olive Oil Interview with Professor Fathi Moussa — C60oo Longevity study, Universtiry of Paris] {{Wayback|url=https://www.youtube.com/watch?v=XLZS1WQl_1E |date=20160331231244 }}, Streamed live on Mar 18, 2015</ref>.

=== Создание новых лекарств ===
Фуллерены могут быть также использованы в фармакологии для создания новых лекарств. Так, в 2007 году были проведены исследования, показавшие, что эти вещества могут оказаться перспективными для разработки противоаллергических средств<ref>{{Cite web |url=http://www.med2.ru/story.php?id=2180 |title=«Фуллерены VS аллергия» — сайт «Медицина 2.0», дайджест статьи |access-date=2012-05-27 |archive-date=2014-11-29 |archive-url=https://web.archive.org/web/20141129103956/http://www.med2.ru/story.php?id=2180 |deadlink=no }}</ref><ref>{{статья|автор=John J. Ryan et al.|заглавие=Fullerene Nanomaterials Inhibit the Allergic Response|ссылка=http://www.jimmunol.org/content/179/1/665.abstract|издание=The Journal of Immunology|год=2007|том=179|страницы=665—672|pmid=17579089|язык=en|archivedate=2012-08-29|archiveurl=https://web.archive.org/web/20120829032647/http://www.jimmunol.org/content/179/1/665.abstract}}</ref>.

=== Борьба с ВИЧ ===
Различные производные фуллеренов показали себя эффективными средствами в лечении вируса иммунодефицита человека: белок, ответственный за проникновение вируса в кровяные клетки — ВИЧ-1-протеаза, — имеет сферическую полость диаметром 10 Ǻ, форма которой остается постоянной при всех мутациях. Такой размер почти совпадает с диаметром молекулы фуллерена. Синтезировано производное фуллерена, которое растворимо в воде. Оно блокирует активный центр ВИЧ-протеазы, без которой невозможно образование новой вирусной частицы<ref>{{статья |автор=Simon H. Friedman et al. |заглавие=Inhibition of the HIV-1 protease by fullerene derivatives: model building studies and experimental verification |ссылка=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja00068a005 |издание=J. Am. Chem. Soc. |год=1993 |том=115 |номер=15 |страницы=6506–6509 |doi=10.1021/ja00068a005 |язык=en |archivedate=2019-11-05 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20191105044303/https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja00068a005 }}</ref>.

== Примечания ==
{{примечания|2}}

== Литература ==
{{кол|2}}
* Елецкий А. В., Смирнов Б. М. [http://www.ufn.ru/ufn95/ufn95_9/Russian/r959a.pdf Фуллерены и структуры углерода] // [[Успехи физических наук]]. — 1995. — № 9.
* Борщевский А. Я., Иоффе И. Н., [[Сидоров, Лев Николаевич|Сидоров Л. Н.]], Троянов С. И., Юровская М. А. [http://www.nanometer.ru/2007/06/28/fullereni_3660.html Фуллерены] // Нанометр, июнь 2007.
* Сидоров Л. Н., Иоффе И. Н.[https://web.archive.org/web/20060116232353/http://journal.issep.rssi.ru/articles/pdf/0108_030.pdf ???]{{Уточнить ссылку}} // СОЖ. — 2001. — № 8. — С. 30-36.
* Hirsch, A.; Brettreich, M. Fullerenes: Chemistry and Reactions; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, 2005.
* Сидоров Л. Н., Иоффе И. Н. Эндоэдральные фуллерены // [[Соросовский образовательный журнал]]. — 2001. — Т. 7, № 8. — С. 30-36.
* Золотухин И. В. Фуллерит — новая форма углерода // [[Соросовский образовательный журнал]]. — 1996. — № 2. — С. 51-56.
* Блюменфельд Л. А., Тихонов А. Н. Электронный парамагнитный резонанс // [[Соросовский образовательный журнал]]. — 1997. — № 9. — С. 91-99.
* Вовна В. И. Фотоэлектронная спектроскопия молекул // [[Соросовский образовательный журнал]]. — 1999. — № 1. — С. 86-91.
* Порай-Кошиц М. А. Основы структурного анализа химических соединений. — М.: [[Высшая школа (издательство)|Высшая школа]], 1982.
* Ведринский Р. В. EXAFS-спектроскопия — новый метод структурного анализа // [[Соросовский образовательный журнал]]. — 1996. — № 5. — С. 79-84.
* Воронков В. К. Ядерный магнитный резонанс // [[Соросовский образовательный журнал]]. — № 10. — С. 70-75.
* Юровская М. А. Методы получения производных фуллеренов // [[Соросовский образовательный журнал]]. — 2000. — Т. 6, № 5. — С. 26-30.
* Сидоров Л. Н., Макеев Ю. А. Химия фуллеренов // [[Соросовский образовательный журнал]]. — 2000. — № 5. — С. 21-25.
* Костиков Р. Р. Принципы органического синтеза // [[Соросовский образовательный журнал]]. 1999. № 1. С. 19-27.
* Тихонов А. Н. Спиновые метки // [[Соросовский образовательный журнал]]. — 1998. — № 1. — С. 8-15.
* Воронов В. К., Подоплелов А. В. Современная физика: Учебное пособие. — М.: КомКнига, 2005. — 512 с., 2005 г., ISBN 5-484-00058-0, тир. 5000 экз., Гл. 5. Атомная физика, п. 5.8. Эндоэдральные соединения, c. 287—289.
* Герасимов В. И. [http://www.ipme.ru/e-journals/MPM/no_12014/MPM120_04_gerasimov.pdf Изомеры фуллеренов] // Физика и механика материалов. ISSN 16052730. Vol. 20, No 1. — P. 25-31.
{{конец кол}}

== Ссылки ==
{{wiktionary|фуллерен}}
* [http://fulleren.com/articlesf1.php Статьи о фуллеренах]

{{rq|isbn}}
{{Аллотропные формы углерода}}

[[Категория:Фуллерены]]
[[Категория:Нанотехнология]]
[[Категория:Аллотропные формы углерода]]