Карбин, фуллерены, нанотрубки

В 70-х годах ХХ столетия в СССР была синтезирована ещё одна аллотропная форма углерода – карбин, имеющий линейную структуру, в которых проявлялась высокая электропроводность.

В 1985 году была открыта ещё одна форма углерода – фуллерены, а в 1991 году была открыта следующая форма - нанотрубки.

Фуллерены и нанотрубки – это обширные классы наноструктуры, т.е. структур, имеющих размеры порядка 1 нанометра. Фуллерены – это сферические, похожие на футбольный мяч, молекулы, образованные атомами углерода. Фулеренов синтезировано уже очень много, от малых (С₂₀, С₂₈) до гигантских (С₂₄₀, С₁₈₄₀), даже многослойных, типа шарик в шарике (луковица). Из четырёхслойных фуллеренов С₆₀ – С₂₄₀ – С₅₄₀ – С₉₆₀ даже получают алмазы. Уже можно составить своего рода периодическую систему феллереновых элементов, из которых формируются многие «фуллереновые вещества». Синтезированы фуллереновые полимеры, плёнки, кристаллы (фуллериты), допированые кристаллы (фуллериды) как с собственными структурами, так и повторяющие строение обычных кристаллов. Например, фуллерен С₂₈ имеет ту же валентность, что и атом углерода и образует устойчивый кристалл со структурой алмаза – гипералмаз.

Рис. 6.3. Структура фуллеренов С₆₀ и С₇₀. Стенки пятичленных циклов, образующих фуллереновые шарики, состоят из одинарных связей, а у шестичленных циклов встречаются и двойные связи

Другой большой класс наноструктур – углеродные и неорганические однослойные и многослойные нанотрубки. Синтезировано множество разнообразных нанотрубок, существуют их ассоциаты – «жгуты», кристаллы и т.п. Из нанотрубок получают очень интересные материалы, например, уникальной прочности нанобумагу, представляющую собой плотные плёнки из переплетённых, подобно растительным волокнам, жгутов нанотрубок. Недавно китайские специалисты научились прясть нанотрубки и получать таким образом углеродные нити. Если же фуллерен запихнуть в нанотрубку, то получится ещё один класс углеродных структур – гипод.

Рис.6.4 Нанотрубки, свёрнутые под углом 0^о (а) и под углом 30^о (б)

В гиподах обнаружен эффет температурного р-п перехода. При комнатной температуре гипод – полупроводник, с понижением температуры он становится проводником. На сегодня гиподы – интересные и перспективные материалы для микро- и наноэлектроники, аккумуляторов водорода, высокотемпературных сверхпроводников.