В эндометаллофуллеренах газокинетический размер инкапсулированного атома значительно меньше внутреннего размера фуллереновой оболочки. Отсюда возникает вопрос о положении атома внутри углеродного кластера. Исследования показали, что смещение металла относительно геометрического центра молекулы, связано с передачей валентных электронов от инкапсулированного атома на внешнюю поверхность фуллереновой оболочки и возникающим сильным электростатическим взаимодействием образующегося при этом положительного иона с отрицательно заряженной оболочкой.
Смещение равновесного положения инкапсулированного атома относительно геометрического центра фуллереновой оболочки определяет наличие у таких молекул довольно значительного постоянного дипольного момента. Так, согласно оценке, выполненной авторами работы [13], дипольный момент молекулы Y@C82 составляет 2,5 D. Значение дипольного момента молекулы La@C82 оценивается 3¸4 D [35]. Наличие у эндоэдральных металлофуллеренов постоянного дипольного момента придает материалам на основе этих соединений особые свойства, связанные с возможной ориентацией молекул в кристалле и возникновением постоянной поляризуемости. Такие кристаллы должны обладать сегнетоэлектрическими свойствами и могут найти интересные применения в электронных устройствах.
Перестройка электронной структуры эндоэдральных металлофуллеренов, связанная с переходом валентных электронов металла на внешнюю по отношению к оболочке область, отражается на таких электронных характеристиках молекулы фуллерена, как ее потенциал ионизации и сродство к электрону. Это можно проиллюстрировать результатами квантово-химических расчетов [36], представленными в таблице 2. Как видно, инкапсулирование атома металла в молекулу фуллерена, с одной стороны, приводит к снижению потенциала ионизации, с другой стороны, энергия сродства эндоэдралов заметно выше, чем пустых фуллеренов.
Таблица 2.
Потенциал ионизации IP, сродство к электрону EA эндоэдральных и полых фуллеренов.
| Фуллерен | IP, эВ | EA, эВ | Заряд на атоме металла | ||
| нейтральной молекуле | катионе | Анионе | |||
| Sc@C82 Y@C82 La@C82 C60 C70 C82 | 6,45 6,22 6,19 7,78 7,64 6,96 | 3,08 3,20 3,22 2,57 2,69 3,37 | 2,16 2,59 2,92 | 2,18 2,61 2,97 | 2,18 2,60 2,90 |
Основные отличия эндоэдральных металлофуллеренов от полых фуллереновых молекул связаны с двумя главными особенностями их структуры. Первая из этих особенностей обусловлена нецентральным положением инкапсулированного атома металла в клетке фуллерена, вследствие чего молекула эндоэдрального фуллерена имеет постоянный дипольный момент, наличие которого сказывается на макроскопических характеристиках соответствующего фуллерита. Потенциал взаимодействия молекул, обладающих дипольным моментом, не является сферически симметричным, поэтому составленный из таких молекул кристалл должен обладать сильно выраженными анизотропными свойствами. Вторая особенность связана с зарядовым состоянием инкапсулированного атома и с переходом валентных электронов от этого атома на внешнюю поверхность молекулы фуллерена. Наличие электронов на наружной поверхности фуллереновой оболочки определяет характер межмолекулярного взаимодействия в кристалле, в которое наряду с ван-дер-ваальсовым дает определенный вклад и ковалентный механизм.
Постоянный дипольный момент молекул эндоэдральных металлофуллеренов обусловливает несферический характер их взаимодействия между собой. Это, в свою очередь, способствует образованию протяженных структур (агрегатов), содержащих некоторое количество подобных молекул. О прямом наблюдении подобных структур сообщалось, в частности, в работе [13], где с помощью сканирующего туннельного микроскопа, оснащенного полевым ионным микроскопом, изучалось поведение молекул Y@C82 на поверхности Cu(111), имеющей плотность дефектов менее 0,1%. Наблюдения проводились в условиях вакуума глубиной 6´10-11 Торр. Как следует из результатов наблюдений, выполненных с помощью STM, молекулы на поверхности подложки сохраняют подвижность и имеют тенденцию к адсорбции на краях террасы, образованной на поверхности. Это отличает медную подложку от кремниевой Si(111) и Si(100), на которой положения молекул эндофуллеренов фиксированы. Эндофуллерены Y@C82 на поверхности подложки образуют кластеры (Y@C82)n (n=2¸6), в частности димеры, даже на самой начальной стадии напыления, когда поверхностная плотность молекул весьма невелика. Показано, что расстояние между молекулами в димере (1,12 нм) меньше, чем соответствующее ван-дер-ваальсово значение (1,18 нм). Это указывает на наличие сильного, не ван-дер-ваальсова взаимодействия между молекулами димера, которое связано с дипольным моментом (~ 2,5 Д). Тем самым эндоэдральные фуллерены проявляют способность к ориентационному выстраиванию, что придает кристаллам на их основе анизотропные свойства, и делает их перспективным материалом с точки зрения приложений.
Как известно [37], фуллеренам присущ фазовый переход ориентационного разупорядочения, который сопровождается размораживанием вращения молекул относительно оси симметрии. Этот фазовый переход связан с некоторым отклонением формы молекул фуллеренов от идеальной сферы и соответствующим отличием потенциала межмолекулярного взаимодействия от сферически симметричного. В случае фуллерита С60 указанный переход наблюдается при Т @ 260 К и характеризуется теплотой перехода Dh = 850 К. В случае эндоэдральных металлофуллеренов, которые характеризуются более высокой энергией межмолекулярного взаимодействия и более значительным отклонением потенциала взаимодействия от сферически симметричного, данный переход должен, казалось бы, происходить при более высокой температуре и обладать более высоким тепловым эффектом. Этот вывод, однако, противоречит результатам измерений [38], согласно которым в кристалле 139Се140Lа@С80 фазовый переход, сопровождаемый размораживанием вращения молекул, наблюдается при Т=160 К и характеризуется тепловым эффектом 380 К. Возможно, причина указанного расхождения состоит в том, что при вращении молекул в кристалле не нарушается их ориентация вдоль оси расположения инкапсулированных атомов. В таком случае в кристалле рассматриваемого типа при температуре выше или порядка комнатной должен наблюдаться еще один фазовый переход, обусловленный нарушением продольной ориентации молекул. Тем самым вопрос о связи между характером межмолекулярного взаимодействия и динамикой молекул эндометаллофуллеренов в твердофазном состоянии требует дополнительных исследований.
Интересная особенность эндоэдральных соединений связана еще с тем, что атом, заключенный в фуллереновую оболочку, практически теряет свои индивидуальные химические свойства. На это указывают, в частности, результаты одного из первых экспериментов [39] по установлению химических характеристик эндоэдральных фуллеренов. В этой работе сравниваются химические активности по отношению к реакции с молекулой N02 эндоэдральной молекулы Y@С60 полученной методом лазерного испарения, и экзоэдральной молекулы Y@С60, полученной в масс-спектрометре ионно-циклотронного резонанса с фурьепреобразованием. Как показывают измерения, атом иттрия, входящий в состав экзоэдрального соединения легко окисляется с образованием YO, в то время как эндоэдральный комплекс сохраняет стабильность даже при повышении концентрации N02 в 1000 раз. Этот результат, который дополнительно подтверждает эндоэдральную структуру молекулы.
Заключение
Подводя итоги рассмотренной проблемы, относящихся к синтезу, выделению и исследованию свойств эндометаллофуллеренов, следует констатировать, что этот круг проблем за короткий период времени сформировался в новое быстро развивающееся направление химической физики. Интерес к этому направлению со стороны многих исследовательских групп в первую очередь фундаментальный и связан с возможностью искусственного вмешательства в структуру молекул, а также с возможностью изучений последствий такого вмешательства.
Состояние атомных частиц, заключенных в фуллереновую оболочку, уникально и не может быть воспроизведено каким-либо другим способом. Так, атомы металла передают, частично или полностью, свои валентные электроны на внешнюю часть фуллереновой оболочки, практически теряя свою химическую индивидуальность. Это определяет смещенное относительно центра молекулы положение атома внутри углеродного каркаса и придает эндоэдральной молекуле постоянный дипольный момент. Исследование свойств таких частиц существенно расширяет наши представление о поведении квантовых объектов в необычных условиях.
Возможность непосредственного практического применения эндоэдральных структур в технологии и технике физического эксперимента в настоящее время довольно ограничено, что связано в первую очередь с чрезвычайно высокой стоимостью их производства.
Таким образом, эндоэдральные структуры представляют собой новый класс объектов нанометровых размеров, которые обладают уникальными физико-химическими свойствами и чрезвычайно перспективны для практического использования. Несомненно. в ближайшем будущем можно ожидать открытия новых интересных особенностей в поведении этих объектов, а также реализации потенциальных возможностей их практического применения.