Элементарная ячейка карбина составлена параллельными цепочками углерода, имеющими зигзаги, благодаря которым ячейка оказывается двуслойной. Толщину одного слоя составляет цепочка из шести атомов углерода. В нижнем слое цепочки плотно упакованы и расположены в центре и по углам гексагона, тогда как в верхнем слое центральная цепочка отсутствует, а в образовавшейся вакансии могут располагаться атомы примеси, которые являются катализаторами кристаллизации карбина.
В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен является новой формой углерода.
Уникальность фуллерена заключается в том, что молекула С60, например, содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которых нет в природе для неорганических соединений.
Молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) – это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.
Молекула фуллерена С60.
В фуллерене плоская сетка шестиугольников – графитовая сетка свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Природой задана четкая последовательность этого соединения – каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой прочной связью. Образуется структура – усеченный икосаэдр, который имеет 10 осей симметрии третьего порядка, 6 осей симметрии пятого порядка. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Каждый атом углерода в молекуле C60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода.
Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки – 0,1 нм, радиус молекулы C60 – 0,357 нм. Длина связи С – С в пятиугольнике – 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм. Молекулы высших фуллеренов С70 С74, С76, С84, С164, С192, С216 также имеют форму замкнутой поверхности. Фуллерены с порядковым номером меньше 60 оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С20. При этом кристалл фуллерита имеет плотность 1,7 г/см3, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см3) и алмаза (3,5 г/см3).
Благодаря своему сетчато-шарообразному строению фуллерены оказались идеальными наполнителями и идеальной смазкой. Они катаются, словно шарики размером с молекулу, между трущимися поверхностями. Комбинируя внутри углеродных шаров разные атомы и молекулы, можно создавать самые фантастические материалы будущего.
Во всех случаях рабочие параметры такого перспективного оборудования будут более высокими, по сравнению с оборудованием сегодняшнего дня. Повысится качество вырабатываемой ими продукции, а технологии производства станут более эффективными и простыми.Фуллерены можно использовать в нанотехнологиях, медицине, ракетном строительстве, в военных целях, электронике, машинном производстве, в производстве технической продукции, компьютеров и других отраслях.
Например, американские исследователи разработали технологию, которая позволяет практически на любую поверхность наносить тончайшие элементы солнечных батарей, которые представляют собой многослойную полимерную пленку, содержащую все те же фуллерены. На сегодняшний день такие элементы обладают пока примерно в четыре раза более низким коэффициентом полезного действия, чем традиционные батареи на основе кремния, но они значительно проще и дешевле в производстве. Возможно, уже в ближайшем будущем промышленность технологически развитых стран мира начнет выпускать солнечные батареи рулонами – как обои.
В одном из университетов Швеции в ходе опытов с фуллеренами неожиданно для самих ученых был получен слоеный материал, напоминающий фольгу, проложенную тонкими слоями бумаги. Прозрачный и гибкий материал обладал магнитными свойствами и сохранял их даже при температуре свыше 200 градусов. Такой материал можно использовать для создания компьютерной памяти с помощью записи лазерным лучом. Благодаря этому будет достигаться очень высокая плотность носителя информации.