Ученые синтезировали кремниевый аналог углеродных бакиболлов

Oкoлo трex лeт нaзaд учeным удaлoсь синтeзирoвaть 2-x мeрный крeмниeвый aнaлoг грaфeнa, силицeн, в кoтoрoм aтoмы кремния упорядочены в виде монослоя с сотовидной структурой, материал, в котором объединяется большинство уникальных свойств «плоского» графена с полупроводниковыми свойствами кремния. И недавно настала очередь синтеза кремниевого аналога еще одной формы углерода — полых шаров, состоящих из 60 атомов углерода, так называемых бакиболлов или фуллерена. Но, из-за существенных различий химических свойств кремния и углерода, ученые столкнулись с массой трудностей, которые были разрешены в конце концов.

Кремниевый аналог углеродных бакиболлов состоит из 20 атомов кремния, стабилизированных атомами хлора. Из-за этого такое соединение получило название не фуллерена, а фуллерана. К слову, открытие первых молекул фуллерана было сделано совершенно случайно.

«Один из моих аспирантов, Ян Тиллман (Jan Tillmann), обнаружил некоторое количество неизвестных кристаллов, получившихся в результате химической реакции, в которой был задействован гексахлородисилан (hexachlorodisilane, Si2Cl6). Полученные кристаллы были просвечены рентгеном и это позволило установить, что кристаллы содержат молекулярные ячейки, состоящие из 20 атомов кремния» — рассказывает Мэттиас Вагнер (Matthias Wagner), ученый из университета Гете (Goethe University), Франфуркт, Германия, — «После этого аспиранту потребовался год, чтобы оптимизировать реакции и получить выход молекул фуллерана на уровне 30 процентов».

В силу своих химических и физических свойств, атомы углерода могут образовывать устойчивые связи с одним, двумя, тремя и четырьмя другими атомами углерода. В отличие от этого, атомы кремния могут связываться только с четырьмя такими атомами и это делает невозможным синтез бакиболлов, состоящих исключительно из атомов кремния. Следовательно, у состава, который обнаружил Ян Тиллман, имеется более сложное строение, в нем содержится шарообразная структура в форме додекаэдра, сформированного 20 атомами кремния и один ион хлора, располагающийся в самом центре. Вокруг кремниевого додекаэдра находится нечто вроде «экзоскелета» из 12 отдельных групп атомов, состоящих из одного атома кремния, связанного с тремя атомами хлора (SiCl3). И последней составляющей частью молекулы фуллерана являются восемь атомов хлора, связанные со свободными вершинами кремниевого додекаэдра.

12 внешних хлоро-кремниевых групп делают молекулу фуллерана «уязвимой» для воздействия влаги, ведь некоторые атомы хлора легко могут быть заменены атомами водорода. Но в этом заключается и сильная сторона нового соединения. «Мы можем использовать группы SiCl3 в своих целях» — рассказывает Мэттиас Вагнер, — «За счет наличия этих групп мы можем сцеплять молекулы фуллерана в длинные цепочки или формировать из них более сложные объемные структуры. Такое совершенно невозможно проделать с углеродом, ведь молекулы фуллерена практически не поддаются соединению друг с другом».

Следует отметить, что исследователи только недавно приступили к изучению свойств нового соединения, но некоторые из его уже обнаруженных свойств позволяют говорить о возможности применения нового материала для дальнейшей миниатюризации наноразмерных полупроводниковых кремниевых компонентов и электронных схем. Обнаружение фуллерана и разработка метода его получения являются лишь основой для достаточно обширной работы и будущих исследований. «Сейчас мы только подготовили «кирпичики» и стандартные блоки, обладающие полупроводниковыми свойствами» — рассказывает Мэттиас Вагнер, — «Такие составы были нам неизвестны до последнего времени и мы собираемся выяснить, что мы можем делать при помощи всего этого».