Визначення і загальний опис

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.

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^[1] (фулерити додано у класифікацію мінералів, до класу самородних елементів групи вуглецю^[2], ^[3]).

[ред.] Структура фулериту

Крупнокристалічний порошок фулериту C₆₀ в растровому електронному мікроскопі

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 1012 с^-1. 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%.

[ред.] 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).