Lubomír Sodomka

Jaromír Sodomka

ČVUT Praha Fakulta dopravní Konviktská 20 Praha 1

Bohuslav Knob, Vítek Šprta

1. Úvod

Fulerity jsou krystalová nadstavba fulerenů, uhlíkových uzavřených molekul, z nichž nejrozšířenější je fuleren C60 se šedesáti uhlíky v rozích komolého dvacetistěnu (s-ikosahedru) (obr.1). Tato molekula poprvé popsána v roce 1985 [ 1] , jejíž spolubjevitelé byli poctěni v roce 1996 Nobelovou cenou za chemii [ 2] , prohlášená také molekulou roku v roce 1991, se stala v současnosti předmětem zájmu výzkumu. Dnes už existuje o fulerenech, fuleritech a fuleridech velké množství publikací od původních prací , přes souborné práce dokonce v češtině [ 3] ,[ 4] , [ 5] , [ 6] , k populárně vědeckým [ 7] ,[ 8] až k monografiím [ 9] , [ 10] a sborníkům z konferencí [ 11] .

Fulerit je nadmolekulární struktura molekul fulerenu C60. V něm kulové molekuly C60 vytvářejí vrstvením typu ...ABCABC... nadmolekulární plošně středěnou krychlovou strukturu zobrazenou na obr.2. Tato nadmolekulární struktura C60 byla prozatím jako jediná z vrstvových struktur pozorována a je zajimavé, že další jednoduchá struktura s těsným směstnáním jako je vrstvení ... ABABAB... dávající hexagonální mřížku s těsným směstnáním nebyla dosud objevena.

Pro studium struktury byl vybrán fulerit dodávaný firmou Hoechst, Německo. Dodané vzorky obsahovaly 99,78 w% uhlíku. Takže 0,22 w% připadalo na ostatní prvky. K identifikaci a ke kvantitativní analýze 0,22w% příměsí byla provedena rentgenová spektrální analýza. Vzorky fuleritu byly rozdrceny na jemný prášek, který byl nanesen na monokrystaly křemíku o průměru 30mm a vloženy do rentgenospektrální aparatury firmy Philips PW1404 s rhodiovou anodou pracující při napětí 80kV s monochromátory z lithiumfluoridových krystalů s reflexí na rovinách (220) a s germaniovými krystaly pracujícími na rovinách (111). Z měření bylo zjištěno takovéto zastoupení příměsových prvků: síra 0,1063w%, barium 0,0801w%, argon 0,0275w%, osmium 0,0020w%, železo 0,0016w%, zinek 0,0015w%. Zbytek tvoří lehké prvky do prvku 10, které se nedají rentgenovou spektrální analýzou snadno zjistit. Poloha jednotlivých prvků v mřížce fuleritu nebyla užitou metodou zjistitelná. Příměsi se mohou nacházet uvnitř fulerenových molekul, nebo mohou být interkalovány uvnitř fuleritové mřížky (viz obr.2).

K určování krystalové struktury vzorků fuleritu byla provedena rentgenová strukturní analýza. K ní byl užit difraktometr Philips s měděnou rentgenkou s monochromátorem a Sollerovými clonami pracující na vlnové délce rentgenového záření 0,154nm (CuKa ). Na vzorcích byly pořízeny difraktogramy v úhlovém intervalu dvojnásobného Braggova úhlu od 5 do 70 až 80 stupňů. Difraktogramy fuleritu jsou na obr.3. Na obr 4. jsou společné difraktogramy původního krystalického vzorku před a po mletí. Z něho je vidět, že difrakční křivky mletého fuleritu jsou posunuty směrem k menším Braggovým úhlům tedy k větším mezirovinovým vzdálenostem.

Z difraktogramů na obr.3 a obr.4 po oindexování difrakčních čar užitím [ 12] byly určeny Braggovy úhly difrakčních čar a z nich pak mezirovinové vzdálenosti., mřížkové parametry a průměr koulí fulerenu C60 Z rentgenových difrakčních záznamů byla ověřena pro měřený fulerit krychlová plosně středěná mřížka, jak je zobrazena na obr.2. V mřížkových bodech leží molekuly fulerenu C60 (obr.1). Z jednotlivých rentgenodifrakčních reflexí očíslovaných v pořadí od malých Braggových úhlů 1,2,3,4,5,6,7,8,9 postupně na rovinách (111),2(100),2(110) a dalších byly určeny mřížkové parametry a1=1,64nm, a2=1,1nm,a3=1,316nm, a5= 1,16nm, a6=1,07nm, a7=1,07nm, a8=1,12nm, a9=1,22nm.Z a3 byl určen průměr fulerenové koule D=0,66nm. Z teoretických výpočtů v [ 10] na str.63 byl určen průměr fulerenové koule D=0,71nm. Nížší naměřenou hodnotu lze vyložit vzájemným přitahováním fulerenu ve fuleritu a stlačením pružné fulerenové koule. Různé hodnoty mřížkových parametrů fuleritu z reflexí na různých krystalových rovinách lze vyložit stlačováním pružných fulerenových koulí v různých směrech a jejich geometrickou anizotropií.

V odkaze [ 10] jsou uvedeny nejrůznější vlastnosti fuleritů jako je elektrická vodivost, fotovodivost a luminiscence. Tyto vlastnosti byly hledány rovněž i na zkoumaných vzorcích fuleritu. Měření měrného odporu ukázala hodnotou větší než 10^14W .m, že je téměř nevodivý. Fotovodivost indukovaná dusíkovým laserem a kryptonovou výbojkou měla stejnou hodnotu jako vodivost elektrická. Z luminiscencí byla zjišťována fotoluminiscence buzená stejně jako fotovodivost dusíkovým laserem a kryptonovou výbojkou a nebyla u sledovaného vzorku fuleritu pozorována stejně jako mechanoluminiscence [ 13] . Vzhledem k tomu, že uvedené měřené vlastnosti jsou strukturně citlivé a v citovaných pracích nebylo uvedeno složení a množství příměsí ve fuleritech, nejsou rozdílné výsledky měření překvapující.

5. Zhodnocení a závěr

Řešení struktury fuleritu ukázala, že fulerit tvoří krychlovou plošně středěnou mřížku s mřížkovými body molekul kulového fulerenu C60. Vlivem přitažlivých vazebných sil a elasticitě molekul fulerénu C60 je mřížka v určitých směrech s menší hustotou molekul C60 deformována a tak průměr kulové molekuly fulerenu ve fuleritu má nižší hodnotu 0,66nm než byl teoreticky určený průměr izolované molekuly C60, který byl stanoven na hodnotu 0,71nm. Rentgenospektrální analýza ukázala na přítomnost příměsí, a to nejvíce síry 0,1063w% a baria 0,0810 w%. Tyto a další příměsi neovlivnily elektronové vlastnosti zkoumaného fuleritu, aby poskytly měřitelnou elektrickou vodivost, fotovodivost a luminiscenci fuleritu.

[ 1] Kroto, H.V., et al.: Nature 318(1985)162.

[ 2] Sodomka,L.: Nobelova cena za objev fulerenu. MFI 7 (1997) 63

Sodomka,L., Sodomková, M.: Nobelovy ceny za fyziku. SetOut Praha 1997.

[ 3] Matyáš,M.: Fullereny a fullerity. PMFA 37(1992)288

[ 4] Jech,Č.: Fullerenová allotropní forma uhlíku. Čs.čas.fyz. 42(1992) 337.

[ 5] Kraetschmer, W.: AvH-Magazin No.62, Dezember 1993, str.11.

[ 6] Sodomka,L.,Sodomka,J.: Historie objevu fulerenů a jejich derivátů. MFI 8(1998)216.

[ 7] Sodomka,L.,Sodomka,J.: Diamanty a ježci v kleci T97 40(1997)22.

[ 8] Valenta,J.: Nejkulatější molekula. Vesmír 76(1997)65.

[ 9] Koruga,G., et al.: Fullerene C60. North Holland, Amsterodam 1993.

[ 10] Dresselhaus,M.S., et al.: Science of fullerenes and carbon nanotubes. Academic Press New York 1996.

[ 11] Andreoni,W.: The chemical physics of fullerenes 19 (and 5) years later..NATO ASI Series, E:Applied Science vom 316 Kluwer Academic Publisher, Dordrecht 1996.

[ 12] Sodomka, L.: Rentgenová difraktografie pevných látek, SNTL Praha 1960, str.116-136.

[ 13] Sodomka,L.: Mechanoluminiscence a její použití. Academia Praha 1985.

Obr.1. Molekula fulerenu C60.

Obr.2. Nadmolekulární struktura plošně středěného fuleritu.

Obr.3. Difraktogram fuleritu.