Команда ученых из Питтсбургского университета впервые показала, что большие углеродные молекулы при определенном стечении обстоятельств ведут себя как отдельные атомы простых веществ и способны проводить электрический ток не хуже металлов. Статья, описывающая необычное поведение полых углеродных молекул, опубликована в последнем номере Science.
Работа ученых была сконцентрирована на изучении шарообразных углеродных молекул – фуллеренов, одной из относительно недавно открытых аллотропных модификаций углерода, которые на западный манер и в России стали часто называть «бакиболами». Оказалось, что эти молекулы могут удерживать на себе электрический заряд и передавать его соседним молекулам, как это происходит в металлических проводниках электричества.
геометрическое представление о движении электрона в атоме; такое особое название (не орбита, а орбиталь) отражает тот факт, что движение электрона в атоме отличается от классического движения по траектории, а описывается законами квантовой механики.
Строго говоря, атомная орбиталь – это одноэлектронная волновая функция в сферически симметричном электрическом поле атомного ядра, задающаяся главным n, орбитальным l и магнитным m квантовыми числами.
Известно, что органические молекулы способны переносить и передавать электрический заряд через систему так называемых π-сопряженных атомных орбиталей. Примером такой системы орбиталей может являться молекула бензола, формула Кекуле которой известна всем еще со школьной скамьи. Более того, многие знают, что связи между атомами в молекулах фуллеренов как раз и образуются сетью гибридизованных атомных sp2-орбиталей. Тем не менее устойчивая передача электронов между органическими молекулами возможна только в том случае, если и межмолекулярные связи построены по принципу π-сопряжения. Молекулы фуллеренов таких связей друг с другом не образуют.
Как оказалось, виной всему необычная сферическая форма «бакиболов», которая обуславливает и необычную форму молекулярных электронных орбиталей.
В некотором приближении молекулярные орбитали можно описывать с помощью модельных представлений о линейной комбинации атомных орбиталей всех атомов, входящих в состав молекул. Геометрическая форма даже орбиталей отдельных атомов очень сложна, а говорить о форме молекулярных орбиталей зачастую не решаются и мэтры квантово-химического моделирования; в большинстве случаев они ограничиваются лишь их энергетическим спектром.
молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода, и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированных атомов углерода. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников, необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и n / 2 − 10 шестиугольных граней.
В 1985 году группа исследователей исследовали масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении (абляции) твердого образца, и обнаружили пики с максимальной амплитудой, соответствующие кластерам состоящими из 60 и 70 атомов углерода. Они предположили, что данные пики отвечают молекулам С60 и С70 и выдвинули гипотезу, что молекула С60 имеет форму усечённого икосаэдра симметрии Ih. Для молекулы С70была предложена структура с более вытянутой эллипсоидальной формой симметрии D5h. Полиэдрические кластеры углерода получили название фуллеренов, а наиболее распространённая молекула С60– бакминстерфуллерена, по имени американского архитектора Р. Бакминстера Фуллера, применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники, являющиеся основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов.
Более того, когда молекуле фуллерена сообщается дополнительный электрон, система его молекулярных электронных орбиталей перестраивается и начинает сильно походить на систему атомных орбиталей металлов щелочной группы – лития, натрия и калия – и даже совсем простую систему протон — электрон, известную нам как атом водорода.
Сходство молекул С60 с водородными атомами становится еще сильнее, когда две такие молекулы оказываются помещенными рядом на медной подложке.
Перераспределение электронной плотности между ними приводит к образованию системы сверхмолекулярных орбиталей электронов, очень напоминающей по электронной структуре перекрывание сферических орбиталей атомов водорода в молекуле Н2. Получается что-то вроде молекулы двухатомного водорода, только в десятки раз больше и почти в тысячу раз массивнее.
Метод молекулярных орбиталей (МО) является одним из наиболее распространенных сегодня методов вычислительной квантовой химии и образует основу многих модельных представлений современной химии.
В методе МО предполагают, что в молекуле, как и в атоме, можно построить набор разрешенных дискретных энергетических уровней и соответствующих им волновых функций (молекулярных орбиталей), описывающих поведение электрона в молекуле. На каждом энергетическом уровне может располагаться не более двух электронов. Для построения волновых функций МО часто используют атомные орбитали (АО), описывая каждую МО как линейную комбинацию АО. Отсюда и сокращенное название метода: МО-ЛКАО.
Выбор такого представления МО физически достаточно понятен: вблизи каждого ядра в молекуле поведение электрона должно быть похожим на его поведение в атоме и описываться соответствующими данному атому АО. При этом приближенное решение уравнения Шредингера хотя бы в этих областях будет достаточно корректным. В области между ядрами МО будет описываться суперпозицией АО. Задача нахождения волновых функций МО при этом сводится к нахождению коэффициентов атомных орбиталей. Помимо этого, для каждой МО необходимо определить соответствующую ей энергию.
Петек недвусмысленно намекает на новую область в нанотехнологиях: работа его команды по изучению электронных свойств полых молекул открывает перспективы разработки материалов с новыми свойствами, обусловленными их размерами и формой. В качестве полых молекул, по мнению ученого, могут рассматриваться и углеродные нанотрубки.
В первую очередь работа питтсбургских ученых сулит новые возможности для нано- и молекулярной электроники, так как новые углеродные материалы обладают рядом принципиальных преимуществ из-за уникального сочетания их оптических и электрических свойств. К тому же электрические проводники толщиной всего лишь в одну не самую большую органическую молекулу могут проводить электричество при минимальных сопротивлениях и тепловых потерях.
Кроме того, полые углеродные молекулы могут быть использованы в качестве молекулярных строительных блоков для нужд развивающейся наноиндустрии.
Такие электронные устройства могут использоваться в плоских люминесцентных дисплеях, фотоэлектрических преобразователях многих бытовых устройств и могут быть доступны рядовому потребителю уже через несколько лет.
