Fullerit ( angl. fullerit ) - molekulární krystaly , produkty objemové polymerace kulových uhlíkových molekul fullerenů C 60 a C 70 při tlaku více než 90 tisíc atmosfér a teplotě více než 300 ° C. Výsledný materiál si zcela zachovává tuhá struktura fullerenů, které jsou při polymeraci propojeny silnými diamantovými vazbami. To vede ke vzniku prostorových konstrukcí s abnormálně vysokou tuhostí a tvrdostí.
Na internetu se šíří mylný názor / informace, že fullerit je údajně tvrdší než diamant (údajně jeho tvrdost dosahuje 300-310 GPa na Vickersově stupnici, zatímco u diamantu se pohybuje od 90 do 120 GPa - u přírodních vzorků až 150 a případně dokonce až 200 GPa - pro umělé, protože kontrolované podmínky mohou být ideální pro zlepšení / zvýšení jakékoli vlastnosti / kvality). Souvisí to s tím, že za prvé se jedná o teoreticky vypočtenou tvrdost na molekulární úrovni a týká se nanodiamantů, které se získávají z fulleritu/fulerenů (tj. nepočítá se na úrovni látky/materiálu, protože je získané pouze ve velmi mikroskopických množstvích, protože nanodiamanty) ... a za druhé, při pokusu v tzv. „diamantové kovadlině“ byly na diamantu nalezeny škrábance, zanechané mikroskopickou fulleritovou jehlou, i když nanodiamanty mohly být užší (ale i kdyby to byl fullerit, tak z toho nelze usuzovat, že je tvrdší než diamant, protože byl použit velmi ostrý předmět pod vysokým tlakem, tedy i kdyby jeho tvrdost byla 3x menší než diamant, také by ho poškrábal, tj. úplně přesně stejný výsledek by byl, kdyby tato jehla byla vyrobena z kubického nitridu boru). [jeden]
Poprvé byl pevný fullerit pozorován W. Kretschmerem a D. Huffmanem v květnu 1990 v jedné z laboratoří Ústavu jaderné fyziky v Heidelbergu (Německo). Fullerit je alotropní forma čistého uhlíku , zásadně odlišná od diamantu i grafitu . Existují informace o možnosti vzniku fulleritu v přírodních podmínkách (fullerit byl zařazen do klasifikace minerálů , do třídy nativních prvků uhlíkaté skupiny).
Za normálních podmínek (300 K) tvoří molekuly fullerenu plošně centrovanou kubickou ( fcc ) krystalovou mřížku .
Perioda takové mřížky je a = 1,417 nm, střední průměr molekuly fullerenu C60 je 0,708 nm a vzdálenost mezi sousedními molekulami C60 je 1,002 nm. Hustota fulleritu je 1,7 g/cm³, což je mnohem méně než hustota grafitu (2,3 g/cm³) a zejména diamantu (3,5 g/cm³). To je způsobeno skutečností, že molekuly fullerenu umístěné v místech fulleritové mřížky jsou duté.
Vzhledem k tomu, že interakční síly mezi molekulami C60 v krystalu jsou malé a symetrie je velmi vysoká, pak při teplotě nad 260 K molekuly fullerenu rotují (což představuje fázi plastového krystalu ) a model sférické vrstvy je docela použitelný. jim. Frekvence otáčení samozřejmě závisí na teplotě a při T = 300 K je přibližně 10 12 Hz. S poklesem teploty (T < 260 K) se rotace molekul fullerenu zastaví. Při T = 260 K se mění krystalová struktura fulleritu (fázový přechod 1. řádu) se současným zmrazením rotačního pohybu molekul v důsledku zvýšení energie mezimolekulární interakce. Takzvaná nízkoteplotní fulleritová fáze má jednoduchou kubickou mřížku.
Základní buňka fulleritové krystalové mřížky obsahuje 8 tetraedrických a 4 oktaedrických dutin, z nichž každá je obklopena 4 a 6 molekulami C60 , v tomto pořadí . Rozměry oktaedrických dutin jsou 0,42 nm, tetraedrické - 0,22 nm.
V nízkoteplotní fázi fulleritu existují pro každou molekulu C60 dvě tetraedrické a jedna oktaedrická intersticiální dutiny s průměrnými lineárními rozměry přibližně 2,2 Á a 4,2 Á, v tomto pořadí.
Fullerity jsou dostatečně stabilní chemicky a tepelně, i když představují fázi, která je termodynamicky nepříznivá vzhledem ke grafitu. V inertní atmosféře zůstávají stabilní až do teplot řádově 1200 K, při kterých vzniká grafit. Tvorba kapalné fáze až do těchto teplot není pozorována. V přítomnosti kyslíku je již při 500 K pozorována patrná oxidace za vzniku CO a CO 2 . Chemická destrukce fulleritu je také usnadněna přítomností stop rozpouštědel. Fullerity se celkem snadno rozpouštějí v nepolárních aromatických rozpouštědlech a v sirouhlíku CS 2 . [2]
Vzhledem k tomu, že molekuly fullerenu ve fulleritu jsou blízko sebe, lze z nich působením světla, elektronového záření nebo tlaku získat různé oligomery a polymerní fáze. Při tlacích do 10 GPa byla získána a charakterizována ortorombická fáze skládající se z lineárních řetězců molekul C 60 navzájem spojených , dále tetragonální a romboedrické fáze sestávající z vrstev s tetragonálními a hexagonálními sítěmi mezimolekulárních vazeb. [2]
Existují údaje o vzniku feromagnetických polymerizovaných fází z fulleritu (tzv. magnetického uhlíku) působením tlaku a teploty, i když povaha tohoto jevu a samotné údaje nejsou zcela jednoznačné. Existence takových fází může být spojena s tvorbou defektů, přítomností atomů nečistot a částic a také s částečnou destrukcí molekul fullerenu. Při tlacích nad 10 GPa a teplotách nad 1800 K vznikají diamantové fáze a za určitých podmínek lze získat nanokrystalické diamanty. Je třeba poznamenat, že tvorba diamantů z fulleritu nastává při nižších teplotách ve srovnání s grafitem . [2]
Charakteristickým rysem fulleritů je přítomnost relativně velkých intermolekulárních dutin, do kterých mohou být zabudovány atomy a malé molekuly. V důsledku vyplnění těchto dutin atomy alkalických kovů se získají fulleridy vykazující supravodivé vlastnosti při teplotách do 20-40 K. [2]
| Alotropie uhlíku | |
|---|---|
| sp 3 | |
| sp 2 | |
| sp | Karabina |
| smíšený sp 3 / sp 2 | |
| jiný |
|
| hypotetický |
|
| příbuzný |
|