Углерод с зарядом металла

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.

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.

Геометрия же молекулы фуллерена такова, что одна из её низших вакантных молекулярных орбиталей приобретает простую сферическую форму, аналогичную форме атомных s-орбиталей. В своей статье ученые также описывают молекулярные орбитали, аналогичные по форме р-орбиталям простых атомов. Отсюда и вытекает подобие огромных углеродных молекул простым атомам.

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.

Профессор Питтсбургского университета Хрвоже Петек, руководивший работой, в одном из своих комментариев к статье заметил, что если поместить на подложке в ряд несколько молекул фуллеренов, то в итоге они будут вести себя как одномерный электронный проводник с очень хорошей проводимостью металлического типа.

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.