富勒烯。发明和生产的历史

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富勒烯、巴基球或巴基球是属于碳的同素异形体类别的分子化合物，代表由偶数个三配位碳原子组成的凸封闭多面体。富勒烯的名字应归功于工程师兼建筑师理查德·巴克明斯特·富勒（Richard Buckminster Fuller），他的测地线结构就是根据这一原理建造的。最初，此类接头仅限于仅包含五边形和六边形面的结构。

富勒烯С60

自然界中最坚硬的物质是钻石。这种碳化合物具有四面体形式的晶格 - 具有四个相等三角形面的金字塔。它的顶部由四个碳原子组成。三角形是一个非常刚性的图形；它可以被破坏，但不能变形或压碎。这就是为什么钻石的强度如此之高。

在自然界中，已知晶体的晶格不是由原子组成，而是由分子组成。如果分子足够大，而且它们之间的键很牢固，那么晶格就非常牢固。富勒烯完全满足这些条件：直径大于 0,5 nm，它们结合成晶胞小于 1,5 nm 的晶体。

通常情况下，富勒烯的发现并不是目标搜索的结果。莱斯大学（德克萨斯州）R. Smalley 实验室的主要工作方向，在 1980 年代发现了与金属簇结构研究有关的发现。此类研究的技术基于测量由于激光辐射对所研究材料表面的强烈作用而形成的粒子的质谱。

用于获得富勒烯的装置方案： 1-石墨电极； 2-冷却铜母线； 3 - 铜外壳，4 - 弹簧

“1985 年 XNUMX 月，著名的天体物理学家 G. Kroto 来到了 Smalley 的实验室，”Alexander Valentinovich Yeletsky 在索罗斯教育杂志上写道，“他致力于识别一些星际星团发出的红外辐射光谱的问题。可能是其中之一这个问题的解决方案在天体物理学中已有足够长的历史，可能与碳团有关，如你所知，碳团构成了星际团的基础。克罗托访问德克萨斯的目的是尝试使用斯莫利实验室的设备，从碳簇的质谱中得出关于它们可能结构的结论。

实验结果导致其参与者处于震惊状态。而对于大多数先前研究的簇，幻数的典型值为13、19、55等，取决于原子的相互排列，在原子数为60和70的原子数中观察到明显明显的峰碳簇的质谱唯一一致的碳簇的这一特征是由碳原子形成稳定的封闭球形和球状结构的假设来解释的，后来称为富勒烯。

这一假设后来被更详细的研究证实，基本上构成了发现富勒烯的基础。在克罗托抵达得克萨斯州 20 天后，富勒烯的首次观察结果已被发送到《自然》杂志。在这篇文章中，除了假设富勒烯呈球形外，还有关于可能存在内嵌富勒烯分子的想法，即含有一个或多个另一种元素原子的分子。进一步的研究证实了这一假设。

这种晶体中分子之间的距离小于金刚石晶格中原子之间的距离。此外，在这两种类型的细胞中，都有一种“特殊”的富勒烯，它通过 12-16 个非常短且牢固的分子间键与其余的富勒烯相互作用。这一切都决定了结晶富勒体的非凡硬度：它比金刚石的硬度高两到三倍。

由于富勒烯的发现，G. Kroto、R. Smalley 和 R. Curl 获得了诺贝尔化学奖。

富勒烯研究的真正繁荣始于 1990 年。这发生在德国天体物理学家 W. Kretschmer 和美国研究员 D. Huffman 开发出一种获得足够数量富勒烯的技术之后。该技术基于用石墨电极对电弧进行热雾化，然后使用苯、甲苯等有机溶剂从雾化产物中提取富勒烯。

这项新技术使许多科学实验室不仅可以研究分子形式的富勒烯，还可以研究结晶状态的富勒烯。结果，有了新的发现。于是，1991年，美国科学家发现了掺杂碱金属原子的富勒烯晶体的超导性，其临界温度为18至40开尔文，取决于碱金属的种类。而时至今日，富勒烯领域的研究与开发仍是世界科技的重点领域之一。这种受欢迎程度与富勒烯惊人的物理化学性质有关，这为它们的实际应用开辟了可能性。

富勒烯分子具有高电负性。它们能够将多达六个自由电子附加到自己身上。这使富勒烯成为强氧化剂。它们能够形成许多具有新的有趣特性的新化合物。富勒烯的化合物包括具有单键和双键的六元碳环。因此，它们可以被认为是芳香族化合物的三维类似物。富勒烯晶体是带隙为 1-2 eV 的半导体。当用可见光照射时，它们表现出光电导性。

“富勒烯的技术应用范围很广，”Ezersky 写道，“例如，使用富勒烯作为润滑油的添加剂可以显着（最多 10 倍）降低金属表面的摩擦系数，从而提高摩擦系数。”零件和组件的耐磨性。富勒烯大规模应用的其他可能性也正在积极开发中。特别是与新型可充电电池的创建相关，与传统使用的锂基电池不同，这种电池不受电极的破坏。

在医学和药理学中使用富勒烯的问题值得特别关注。阻碍成功解决该问题的主要困难之一与产生水溶性无毒富勒烯化合物有关，该化合物可以被引入人体并随血液输送到受治疗作用的器官。文献中广泛讨论了基于水溶性内嵌富勒烯化合物（含有一个或多个元素原子的富勒烯分子）以及嵌入富勒烯结构内的放射性同位素来制造抗癌药物的想法。将这种药物引入组织将有可能选择性地影响受肿瘤影响的细胞，防止它们进一步繁殖。”

作者：Musskiy S.A.

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