Фулерити
Фулерити — молекулярні кристали, продукти об'ємної полімеризації сферичних вуглецевих молекул фулеренів C60 і C70 при тиску понад 90 тисяч атмосфер і температурі понад 300 °C. Отриманий матеріал повністю зберігає жорстку структуру фулеренів, які при полімеризації з'єднуються між собою міцними алмазоподібними зв'язками. Це призводить до появи просторових каркасів, що мають аномально високу жорсткість і твердість.
| Фулерит | |
|---|---|
 | |
| Загальні відомості | |
| Статус IMA | опублікований без ухвалення CNMNC (N)d |
| Хімічна формула | C60 |
| Клас мінералу | самородні елементи, група вуглецю |
| Nickel-Strunz 10 | 1.CB.05c |
| Ідентифікація | |
| Колір | чорний, коричневий |
| Форма кристалів | кубічна |
| Сингонія | тетрагональна, псевдокубічна |
| Твердість | 3,5 (штучний фулерит >10) |
| Блиск | від склоподібного до металевого |
| Прозорість | непрозорий |
| Колір риси | чорна |
| Густина | 1,9...2 |
| Розчинність | сірковуглець, толуол, бензол |
| Інші характеристики | |
| Фазові переходи | при 249 K (першого роду) |
| Подібні мінерали | графіт, алмаз |
| Радіоактивність | відсутня |
| Магнетизм | відсутній |
| Названо на честь |
Річард Бакмінстер Фуллер[1], Фулерени |
| Особливі характеристики | напівпровідник, |
Вперше твердий фулерит спостерігали В. Кретчмер і Д. Хаффман в травні 1990 року в одній з лабораторій Інституту ядерної фізики в м. Гейдельберг (Німеччина). Фулерит є третьою формою чистого вуглецю, що принципово відрізняється як від алмазу, так і від графіту.
Є відомості щодо можливості утворення фулеритів у природних умовах[2] (фулерити додано у класифікацію мінералів, до класу самородних елементів групи вуглецю[3],[4]).
Структура фулериту
Фулерит має високий ступінь кристалічного порядку. Молекули C60 при кімнатній температурі конденсуються в структуру з щільною упаковкою, де кожна молекула має 12 найближчих сусідів. Існують дві щільноупаковані структури — гранецентрована кубічна (ГЦК) і гексагональна ґратка. У кристалічному фулериті молекули фулеренів утворюють ГЦК-ґратку. Оскільки 60-атомна молекула має діаметр 0,71 нм, розміри елементарної комірки ГЦК-ґратки вельми значні: кожна сторона кубу дорівнює 1,42 нм, а відстань між найближчими сусідами становить близько 1 нм. У кристалах, що складаються з атомів і мають ГЦК-ґратку, сторона кубу зазвичай не перевищує 0,4 нм, а відстань між найближчими сусідами — 0,3 нм.
Методом ЯМР доведено, що молекули C60, займаючи певні місця в гранецентрованих ґратках, при кімнатній температурі постійно обертаються навколо положення рівноваги з частотою 10 ТГц. Таке обертання є значною перешкодою, коли потрібно визначити положення атомів вуглецю в самій молекулі C60. Але, в міру пониження температури обертання молекул сповільнюється і при дуже низькій температурі повністю припиняється.
При зниженні температури до 249 К фулерит здійснює фазове перетворення першого роду, при якому ГЦК-ґратки перебудовуються в прості кубічні. При цьому об'єм фулериту збільшується на 1 %.
Властивості фулеритів
Твердість фулеритів порівняна з твердістю алмазу: 6-16 тисяч кгс/мм², а у фулеритів ультратвердої модифікації значно вище за неї: 16-30 тисяч кгс/мм². Модуль всебічного стиску фулеритів доходить до 1300 ГПа, істотно перевищуючи цю характеристику алмазу (445 ГПа). Одночасно було виявлено, що швидкість подовжніх акустичних хвиль у фулеритів надзвичайно висока: 19,5-22,3 км/с при відносно невеликій швидкості поперечних хвиль — 7-8,5 км/с (ці значення зазвичай розрізняються не більше ніж удвічі).
Кристал фулериту має густину 1,7…2 г/см³, що значно менше від густини графіту (2,3 г/см³) і тим більше алмазу (3,5 г/см³).
Фулерит не відрізняється високою хімічною активністю. Молекула C60 зберігає стабільність в інертній атмосфері аргону до температур близько 1200 К. Однак у присутності кисню вже при 500 К спостерігається значне окислення з утворенням CO і CO2.
Фулерити достатньо легко розчиняються в неполярних розчинниках. Найвідоміші розчинники утворюють наступний ряд у порядку зменшення розчинності фулеритів: сірковуглець (CS2), толуол (C7H8), бензол (C6H6), тетрахлорметан (CCl4), декан (C10H22), гексан (C6H14), пентан (C5H12).
Твердий фулерит є напівпровідником з шириною забороненої зони 1,5 еВ.
Див. також
Примітки
- Ralph J., Nikischer T., Hudson Institute of Mineralogy Mindat.org: The Mineral and Locality Database — [Keswick, VA], Coulsdon, Surrey: 2000.
- What Are Fullerenes and Fullerites in the Mineral World? / M. I. Novgorodova // Geochemistry International. - Vol. 37, No. 9, 1999. - P. 896. Архів оригіналу за 4 березня 2016. Процитовано 26 липня 2008.
- Фулерит у мінералогічній базі даних Webmineral.com
- http://www.mindat.org/min-6959.html
Література
- Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Східний видавничий дім, 2013. — Т. 3 : С — Я. — 644 с.
- Лазаренко Є. К., Винар О. М. Фулерити // Мінералогічний словник. — К. : Наукова думка, 1975. — 774 с.
- Фулерити // Мінералого-петрографічний словник / Укл. : Білецький В. С., Суярко В. Г., Іщенко Л. В. — Х. : НТУ «ХПІ», 2018. — Т. 1. Мінералогічний словник. — 444 с. — ISBN 978-617-7565-14-6.
- В. І. Саранчук, М. О. Ільяшов, В. В. Ошовський, В. С. Білецький. Основи хімії і фізики горючих копалин. — Донецьк: Східний видавничий дім, 2008. — с. 600. ISBN 978-966-317-024-4
- What Are Fullerenes and Fullerites in the Mineral World? / M. I. Novgorodova // Geochemistry International. — Vol. 37, No. 9, 1999. — P. 896.