11.2. Методи отримання і очищення ендоедральних фулеренів

Ендоедральна молекула може бути отримана двома шляхами. Перший полягає в створенні таких умов, коли вже в процесі синтезу фулеренів деяка частка молекул виявляється заповненою атомами або молекулами елемента, присутнього в зоні синтезу. В цьому випадку як вихідний матеріал для отримання ендоедральних сполук використовується графіт з додаванням дрібнодисперсного порошку впроваджуваного елемента. Термічна розпиленість графіту під дією зовнішнього джерела енергії супроводжується також атомізацією матеріалу домішки. Це сприяє подальшому утворенню ендоедральних фулеренів. Другий шлях синтезу ендоедральних сполук грунтується на впровадженні атомів або молекул всередину клітини вже готових молекул фулерена. Якщо речовина атомів або молекул, що входять, в нормальних умовах знаходиться в газовому стані, таке впровадження здійснюється в результаті витримки фуллеренов в атмосфері газу при підвищених температурах і тиску. Нагрів сприяє збільшенню "вікон" в молекулі фулерена, а підвищений тиск полегшує проникнення частинок всередину клітини. Впровадження атомів конденсуючих речовин досягається також в результаті опромінювання кристала або плівки фуллерена атомами або іонами елемента, прискореними до енергії, при якій можливо проникнення частинки всередину клітини.

Лазерна розпиленість. Вперше метод лазерної розпиленості для отримання фулеренів використовував Р. Крото. Він опромінював графітний диск лазерним пучком помірної інтенсивності. При цьому в результаті випаровування графіту утворюється вуглецева пара, яка захоплювалася потоком гелію, де відбувалася його конденсація в кластери, серед яких виявилася невелика кількість фулеренів.

Для отримання ендоедральних фулеренів необхідна присутність у високотемпературній області певної кількості пари того елемента, який повинен бути вкладений в клітину фулерена.

Як виявилось певні ендоедральні сполуки можна отримати тільки методами лазерної розпиленості. Проте цей метод володіє дуже низькою продуктивністю, а також малим виходом ендоедралів.

Метод електродуги. Більш високими показниками характеризується метод електродуги отримання фулеренмісткої сажі. В результаті термічної розпиленості матеріалу графітного електроду в електричній дузі, що горить в атмосфері Не, утворюється сажа, яка містить до 20 % фулеренів, в основному С₆₀ і С₇₀. Фулерени виходять при конденсації вуглецевої пари, що утворюється унаслідок термічної розпиленості матеріалу анода в нагрітій області електричної дуги, температура якої перевищує 3000 К. Додавання невеликої кількості пари металу приводить до утворення ендоедральних металофулеренів.

Особливістю методу електродуги отримання фулеренмісткої сажі є надзвичайно багатий вміст в сажі молекул фулеренів різного сорту. При додаванні деякої кількості металу це різноманіття стає ще більшим.

Важливим параметром, що визначає ефективність синтезу ендоедральних фулеренів в електричній дузі, є температура в області горіння дугового розряду. Оскільки об'єм цієї області значно менше об'єму електророзрядної камери, в дузі постійного струму створюється значний перепад температур. Через різну густину газу в областях з температурами, що відрізняються, під дією гравітаційних сил виникає вільна конвекція, що знижує температуру газу в околі міжелектродного проміжку. Це зменшує ефективність синтезу фулеренів. Подолання вільної конвекції досягається в імпульсному дуговому розряді.

Іонна імплантація. Ефективний метод синтезу ендоедральних фулеренів заснований на бомбардуванні порожнистих фулеренів іонами того елемента, який повинен бути укладений в клітину фулерена. Даний метод незамінний при отриманні ендоедральних сполук, що містять всередині атоми елементів підвищеної хімічної активності. В установці з іонним джерелом плівка С₆₀ напилюється на мідну підкладку, одночасно опромінюючись іонами азоту. Енергія іонів варіюється зміною напруги між джерелом і мішенню. Типові значення енергії і сили струму іонів складають 40 еВ і 50 мкА. При напиленні протягом декількох годин товщина плівки досягала 2...4 мкм. Потім напилений матеріал видаляють з мідної підкладки, розчиняють з подальшою фільтрацією.

Залежність відношення числа ендоедралів до числа порожнистих фулеренів від енергії іонного пучка має явно виражений максимум при деякій енергії іонів. Це вказує на існування оптимальних енергій, необхідних для утворення ендоедральних фулеренів.