Так что же такое фуллерен?
Определение простое: фуллерен – это футбольный мяч, пустой внутри.
Представим себе полый внутри футбольный мяч, поверхность которого состоит лишь из пятиугольников и шестиугольников (см. рис. 1а). Все эти многоугольники, образующие поверхность футбольного мяча, имеют вершины (на рис. 1б они помечены синими кружочками). Внутри многоугольники пусты.
Фактически, многоугольники на поверхности мяча и их вершины (синие кружочки) образуют его каркас. Такие каркасы в Математике называются многогранниками.
Теперь будем работать с изображённым на рис. 1б каркасом мяча. Пусть мы собрали такой каркас, который имеет 60 вершин.
Действительно, в Математике доказывается Теорема о том, что можно собрать такой, каркас, состоящий только из пяти- и шестиугольников, имеющих ровно 60 вершин (см. синие кружки на рис. 1б). В этом случае в каркасе будет ровно 12 пятиугольников и 20 шестиугольников. Мы эту Теорему доказывать не будем – просто используем её.
Возьмём 60 атомов углерода (маленькие красные шарики) и разместим их в вершинах каркаса, отмеченных синим. Полученный многогранник изображён на рис. 2. Все эти атомы углерода связаны между собой. Считаем, что все связи между атомами идут по рёбрам пяти- и шестиугольников. Причём, длина связи вдоль общего ребра двух шестиугольников больше, чем длина связи вдоль общей стороны пятиугольника и шестиугольника. Попробую объяснить это еще проще?
Снова разберём это на примере шариков. Как уже говорилось выше, пусть атом углерода – это красный шарик. Пусть у каждого шарика есть по 4 руки (см. рис. 3а). Будем считать, что между шариками есть связь, если они держатся за руки (см. рис. 3б.). Вспомним теперь, что фуллерен – это огромный футбольный мяч, поверхность которого образована пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых сидят атомы углерода (см. рис. 2). В нашем случае атомы углерода – это многорукие шарики. Значит, фуллерен – это гигантский шар, в вершинах которого сидят маленькие шарики с четырьмя руками. Однако, эти атомы-шарики не любят, когда их руки не заняты и свободно болтаются. Поэтому, они стараются схватить этими руками другие шарики из соседних узлов. Однако, руки у шариков – волшебные и имеют изменяющуюся длину. Она может быть равна длине А, если рука протянута вдоль общей стороны пятиугольника и шестиугольника, либо - длине Б, если рука протянута вдоль общей стороны шестиугольников. Но не длиннее!!!!! Поэтому, каждому шарику удаётся взяться за руки лишь с тремя ближайшими соседями (см. рис. 4).
Четвёртая же рука остаётся болтаться. На языке Физики это означает, что атомы углерода (красные шарики), сидящие в вершинах фуллерена (каркаса мяча), могут иметь только по три связи со своими ближайшими соседями на поверхности, а четвёртая связь остаётся свободной. Правда, оказывается, что хитрые атомы, сидящие в соседних вершинах шестиугольников, делают вот что: хватаются оставшимися свободными руками друг за друга и держатся двумя руками вдоль одной стороны (см. рис. 5а, см. выноску рис. 5б)
Такой каркас и называется фуллереном. Есть лишь одно условие: количество атомов углерода в нём (т.е. число вершин в каркасе на рис. 2) должно быть чётным. Можно собирать футбольные шары из разного количества пяти и шестиугольников – тогда будут получаться разные фуллерены. Примеры фуллеренов приведены на рис. 6. Фуллерены с количеством атомов более 70 (например, C76, C78, C84) называют высшими фуллеренами. Минимальное количество атомов в фуллерене – 20.
Обозначение
Обозначают фуллерены так: Cn, где n – число атомов в фуллерене.
Где же использовать фуллерены?
Оказывается, что фуллерены имеют множество практических применений. Например, в солнечных элементах, где они непосредственно участвуют в переводе солнечной энергии, при облучении светом, в электрическую. Можно использовать фуллерены в смазках, биологии, медицине и т. д.
