Отчего среди всего разнообразия углеродных структур по данной схеме образуются именно фуллерены, обладающее четкой структурной формой, науке на сегодняшний день не известно.
К примеру, в макро-количествах вещества обнаруживается только один изомер С60 и С70 с наивысшей симметрией и, как следствие, с наименьшей энтропией, несмотря на теоретическую возможность существования большего количества изомеров для каждой отдельной молекулы.
Некоторые изомеры фуллерена С60
 |
Вопрос о том, какие факторы способствуют образованию некоторых фуллеренов при одинаковых условиях, пока остается открытым.
Сравнение особенностей строения существующих молекул с теоретическими моделями фуллеренов позволит расшифровать механизм образования углеродных наноструктур. Существует ряд предположений относительно формирования структуры фуллерена. Некоторые ученые склонны полагать, что образованию фуллерена способствует следующий фактор: графит испаряется, с его поверхности выделяются фрагменты монослоев, которые впоследствии сворачиваются в молекулу сферической формы. Однако эксперименты с изотропами углерода показывают, что рост фуллеренов происходит из так называемого моноатомного пара. |
Конденсация атомов углерода происходит следующим образом:
Атомы полностью перемешиваются в плазме, после чего кластеры начинают расти в виде линейных цепочек. По достижении цепочкой длины в 10 атомов и более, она замыкается. Так образуются более стабильные кольцевые структуры.
На сегодняшний день известны уже несколько моделей синтеза фуллеренов. В большинстве из них применяется метод молекулярно-динамического моделирования.
Рассмотрим подробнее две такие модели: синтез посредством полициклических структур и, так называемая, капельная модель.
На сегодняшний день в моделях образования молекулы фуллерена не учитывается электронная структура.
Лабораторное моделирование условий синтеза проводится с применением методов молекулярной динамики на основе модельных потенциалов. При этом не отображается сложная электронная структура в условиях температурах плазмы (3000-50000К).
| Фуллерен | Теплота образования, К/mol | Зафиксированные экспериментально [18] |
| C78-C2v | 6100 | + |
| C78-C’2v | 6075 | + |
| C78-D3 | 6115 | + |
| C78-D3h | 6110 | - |
| C78-D’3h | 6185 | - |
Чтобы рассчитать равновесную атомную структуру применяют полуэмпирический квантово-химический метод Хартри-Фока РМ3. При этом используют программы GAMESS и HyperChem 5.01
Выбор для расчета квантово-химического метода обусловлен значительно большей скоростью выполнения расчетов по сравнению с ab-initio.
Полученные результаты хорошо согласуются друг с другом как в полуэмперических, так и в неэмпирических методах.
Полуэмпирические методы вполне адекватно характеризуют электронную структуру и равновесную геометрию молекул С50 и С70.
Максимальные и минимальные межатомные расстояния в молекулах фуллеренов:
| Фуллерен | Длина связи (Å) min | max |
| С20-Ih | 1.45 | 1.52 |
| C24-D6h | 1.38 | 1.52 |
| C26-D3h | 1.38 | 1.50 |
| C28-Td | 1.39 | 1.54 |
| C30-C2v | 1.36 | 1.53 |
| C30-D5h | 1.39 | 1.50 |
| C32-D2 | 1.39 | 1.51 |
| C32-D3 | 1.39 | 1.51 |
| С34-С1 | 1.39 | 1.52 |
| С36-D2d | 1.38 | 1.50 |
| C36-D3h | 1.37 | 1.49 |
| C36-D6h | 1.41 | 1.50 |
| C38-C2 | 1.36 | 1.53 |
| C40-D2 | 1.37 | 1.51 |
| C40-D2h | 1.35 | 1.53 |
| C40-D5d | 1.40 | 1.51 |
| C40-Td | 1.39 | 1.49 |
| C42-D3 | 1.37 | 1.50 |
| C44-D2 | 1.37 | 1.50 |
| C46-C2 | 1.37 | 1.50 |
| C48-C2 | 1.38 | 1.50 |
| C50-C2 | 1.40 | 1.49 |
| C50-D5h | 1.38 | 1.48 |
| C52-C2 | 1.37 | 1.49 |
| C54-C2v | 1.38 | 1.49 |
| C56-D2 | 1.36 | 1.49 |
| C58-Cs | 1.35 | 1.49 |
| C60-Ih | 1.38 | 1.46 |
| C60-C2 | 1.37 | 1.48 |
| C60-C2v | 1.45 | 1.49 |
| C60-D2h | 1.35 | 1.50 |
| C60-D5d | 1.38 | 1.49 |
| С62-С2 | 1.37 | 1.48 |
| С64-D2 | 1.39 | 1.48 |
| C66-C2 | 1.38 | 1.48 |
| C68-C2 | 1.39 | 1.48 |
| C70-D5d | 1.38 | 1.46 |
| C76-D2 | 1.37 | 1.47 |
| C76-Td | 1.37 | 1.48 |
| C78-C2v | 1.36 | 1.47 |
| C78-C’2v | 1.36 | 1.48 |
| C78-D3 | 1.37 | 1.47 |
| C78-D3h | 1.35 | 1.48 |
| C78-D’3h | 1.39 | 1.46 |
| C80-Ih | 1.39 | 1.47 |
| C84-D2 | 1.36 | 1.47 |
| C84-D2-helical | 1.36 | 1.46 |
| C84-D2d | 1.36 | 1.47 |
| C84-Td | 1.36 | 1.46 |
| Среднее среди min=1,38Å Среднее среди max=1,49Å |
||
При копировании текста будьте любезны указывать источник:
[ По материалам сайта NeoTechProduct.ru ]