フラーレン C70
フラーレンC₇₀は、フラーレンファミリーにおけるもう一つの主要な炭素の分子同素体であり、70個の炭素原子のみから構成されています。その細長い形状から「ラグビーボール」または楕円体フラーレンとも呼ばれ、その幾何学的構造はC₆₀の完全な球対称から逸脱しています。代わりに、70個の炭素原子が互いに結合し、六角形と五角形が美しく連携したネットワークを形成する、非対称で長球状のケージ構造をとります。.
フラーレンC₇₀とは何か？
フラーレンC₇₀は、正確に70個の炭素頂点から構成される、独立した中空の閉鎖ケージ状炭素分子です。これはフラーレンファミリーにおいて2番目に豊富で安定なメンバーであり、工業的な入手可能性と科学的な重要性において、バックミンスターフラーレン（C₆₀）に次ぐものです。.
フラーレンC₇₀の発見
フラーレンC₇₀は、1985年9月、C₆₀を明らかにしたのと同じグラファイトレーザー蒸発実験中に発見されました。研究チームは、カーボンススの質量分析データを調査中に、70個の炭素原子のクラスターに対応する二次的な高安定性ピークを確認しました。この成果は、1996年のノーベル化学賞によって世界的に認められました。.
フラーレンC₇₀の分子式
フラーレンC₇₀は、分子式C₇₀を持ちます。70個の炭素原子が長円形に配置され、球状の対応物とは異なる独自の電子構造と構造的特徴を生み出しています。.
フラーレンC₇₀の構造
フラーレンC₇₀の構造マトリックスは、その低く細長い対称性によって定義されます。他のグラファイト構造と同様に、70個の炭素原子はそれぞれ、局在化した$sp^2$混成を介して、隣接する3つの炭素原子と共有結合しています。.
- その配置は球体から長球へと移行し、ラグビーボールやアメリカンフットボールに非常に似ています。.
- このケージは数学的に、12個の五角形と25個の六角形から構成されています。.
- C₆₀と比較して追加された10個の炭素原子に対応するため、分子の赤道面周辺に5個の追加六角形からなるベルトが効果的に挿入されています。.
この構造の変化により、分子の対称性は$D_{5h}$点群に変わります。孤立五角形則（IPR）は完全に満たされたままであり、2つの五角形が辺を共有することはなく、高い動的安定性が維持されます。ナノスケールレベルでは、フラーレンC₇₀は不規則な直径を持ち、赤道帯で約0.71ナノメートル、長軸に沿って約0.79ナノメートルです。.
分子構造
C70分子は70個の炭素原子で構成され、ラグビーボール状の構造を有します。この構造の特異性は、C60に見られる極めて高いIh対称性ではなく、D5h点群対称性を有する点にあります。.
なぜ低対称性が有利なのか？
D5h対称性はC60軌道における禁制遷移を破ります。これにより、C70は可視光スペクトル（特に500 nmから700 nmの領域）においてC60よりもはるかに高い吸光係数を示し、より多くの太陽光光子を捕捉することが可能となります。.
幾何学的直径: 0.79 x 0.71 nm
フラーレンC₇₀の特性
C₇₀の楕円形構造と赤道方向への拡張は、特に光や溶媒との相互作用において、明確な物理的および化学的挙動のセットを生み出します。.
物理的特性
以下は、フラーレンC₇₀の主要な物理的特性です：
- 形状： 70個の炭素原子が12個の五角形と25個の六角形に構成された、細長い長球状の楕円体ケージ。.
- サイズ： 約0.71 nm × 0.79 nmの大きさで、方向による寸法の差異を示します。.
- 分子量： 約840原子質量単位（amu）。.
- 対称性： C₆₀よりも低い対称性を示し、楕円体の$D_{5h}$点群に属します。.
- 安定性： 熱的および機械的に非常に安定しており、構造分解が起こる前に高温および高圧に耐えることができます。.
- 電子非局在化： 複雑な非局在化$π$電子系を持ちますが、低い対称性により、複数の非等価な炭素サイトと明確な電子遷移が生じます。.
- 電気伝導性： C₆₀とはわずかに異なるバンドギャッププロファイルを持つ真性半導体挙動を示し、カスタム有機電子デバイスにとって非常に価値があります。.
- 溶解性 トルエン、ベンゼン、o-ジクロロベンゼンなどの非極性芳香族有機溶媒に可溶です。特に、その溶解度プロファイルはC₆₀とは異なり、溶解すると深い赤褐色またはオレンジ褐色の溶液を形成します。.
- 色： 固体の凝集体形態では、重く、暗黒色または暗褐色の結晶性粉末として現れます。.
- 密度： 質量密度は約1.72 g/cm³で、その充填形態によりC₆₀よりもわずかに高密度です。.
化学的特性
以下は、フラーレンC₇₀の主要な化学的特性です：
- 反応性： 標準大気条件下では安定ですが、不均一な局所曲率と環歪みにより、特定の領域の二重結合で増大した化学反応性を示します。.
- 付加反応： 優れた電子受容体（電子不足アルケン）として機能します。フリーラジカル、水素、ハロゲンとの二重結合への付加反応に容易に関与し、反応は主に高い歪みを持つ赤道領域を標的とします。.
- 環化付加反応： 複雑な環化付加機構に積極的に関与し、薄膜電子製造のための標準化された誘導体（PC71BMなど）を合成する経路を提供します。.
- 官能基化： 外部修飾（エキソヘドラル修飾）により、その外側ケージに水溶性またはポリマー適合性の官能基を導入し、カスタム産業用途向けに物理的特性を改変することができます。.
- 電気化学的酸化還元プロファイル： その最低空分子軌道（LUMO）の高い縮退性により、複数の可逆的な一段階電子還元ステップを受けることができる、効率的な「電子プール」として機能します。.
分析データセット
フラーレンC₇₀の合成
フラーレンC₇₀の製造はC₆₀のそれと類似しており、両者は常に粗フラーレンスス内で同時に合成されます。従来の実験室方法は、ハフマン-クレッチマー炭素アーク放電法に依存しており、低圧のヘリウムまたはアルゴンチャンバー内で高純度グラファイト棒の間に高電圧電流を流します。結果として生じる極端な熱プラズマがグラファイトを蒸発させ、遊離した炭素原子は冷却される際に自然にフラーレンの混合物へと自己組織化します。.
標準的なアーク放電プロセスでは、C₇₀は通常、合成された粗ススの約10%から20%を構成します。純粋なフラーレンC₇₀を分離・単離するために、粗ススはトルエンなどの芳香族溶媒を用いた溶媒抽出を受けます。得られた抽出物は、高速液体クロマトグラフィー（HPLC）または分画真空昇華を用いて処理され、暗色のC₇₀粉末が99%を超える純度に単離されます。工業規模では、現代の多段階連続燃焼法がこの抽出プロセスを効率化し、よりエネルギー効率が高く拡張可能な供給を提供しています。.
C60対C70比較
精密な化学物質選択のための詳細分析。.
720.64
フラーレン C60840.77
フラーレン C70330, 404 nm
フラーレン C60380, 470 nm
フラーレン C70基準値
フラーレン C60約1.5倍高
フラーレン C70Ih
フラーレン C60D5h
フラーレン C70-4.3 eV
フラーレン C60-4.1 eV
フラーレン C70マゼンタ/パープル
フラーレン C60レッド/ダークレッド
フラーレン C70フラーレンC₇₀の用途
その低い$D_{5h}$対称性により、より広範囲の電子遷移が可能になるため、フラーレンC₇₀はC₆₀よりも可視光スペクトル（特に500 nmから700 nmの間）で著しく強い吸収を示します。この特性により、光電子応用において非常に価値が高くなります：
- 有機光起電力（OPV）： その強化された可視光捕集能力により、C₇₀誘導体（PC71BMなど）は、高性能ペロブスカイト太陽電池および有機太陽電池における電子輸送層および電子受容体の第一選択となり、電力変換効率を向上させます。.
- 先進材料添加剤： ポリマーマトリックスに組み込まれると、C₇₀は優れた構造改質剤として機能し、特殊コーティングや機械用潤滑剤において摩擦係数を劇的に低減し、耐摩耗性を付与します。.
- 非線形光学： 細長いC₇₀ケージの高度に分極可能な電子雲は、優れた非線形光学応答を生じさせ、電子センサーをレーザー損傷から保護するように設計された光リミッターにおける重要な構成要素となります。.
- 化学触媒作用： 卓越した電子緩衝剤として機能するC₇₀は、低圧合成反応などの要求の厳しい化学製造タスクにおいて、エネルギー移動を促進し、中間状態を安定化させることができます。.
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