вуглецеві кластери
До середини ХХ ст. вважалося, що чистий вуглець має три основні форми існування: вугілля, графіт і алмаз.
Вугілля (і сажа, що осідає на стінках димарів) є аморфним речовиною, яке складається з атомів вуглецю переважно в основному (2-валентном) стані.
Графіт складається з атомів вуглецю в стані 
гібридизації і має багатошарову кристалічну структуру. У кожному шарі атоми вуглецю збудовані в правильні шестикутники (як в бензольному кільці) і в гексагональну плоску решітку. У ній кожен атом вуглецю з'єднується 
-зв'язків з трьома найближчими сусідами, розташованими на відстані 0,1415 нм. А 
-Електронна стають загальними для всього шару і додатково значно зміцнюють його. Вони ж зумовлюють і високу електропровідність графіту. Шари з атомів вуглецю в кристалі графіту пов'язані між собою відносно слабкими силами Ван-дер-Ваальса.
Алмаз складається з атомів вуглецю в стані 
гібридизації, що утворюють об'ємну кристалічну решітку з правильних тетраедрів. У ній кожен атом вуглецю з'єднується -орбіталей з чотирма найближчими сусідами. Утворений кристал є настільки міцним, що алмаз вважається в матеріалознавстві еталоном твердості і міцності.
У другій половині ХХ ст. було проведено багато цікавих досліджень, які показали, що можливих форм існування вуглецю є набагато більше, ніж вважалося. Одна з найбільш успішних схем дослідження показана на Мал. 5.5 .
Мал.5.5.
Схема експериментів для виявлення можливих форм існування вуглецю
Тут 1 - пластина з високочистого графіту, 2 - форсунка, крізь яку в герметично закриту і відкачану від повітря камеру 3 подається струмінь 4 інертного газу, зазвичай гелію. Під час експерименту графіт 1 розігрівають до високих температур променем 5 від потужного лазера або електричною дугою за допомогою графітового електрода 6. Досягається температура, достатня для того, щоб випарувати з графіту атоми вуглецю і перевести їх в усі перераховані вище порушені і гібридні стану. Відірвалися від графіту і збуджені атоми вуглецю переносяться потоком газу 7 далі. Поступово остигаючи в потоці газу, що розширюється, вони хімічно взаємодіють між собою і з'єднуються в усі можливі кластери (англ. Cluster - купка, скупчення, згусток) - утворення з багатьох атомів. За допомогою ртутної лампи 8 освічені кластери опромінюються ультрафіолетовим світлом і іонізуються. Колімуючих конус 9 "фокусує" струмінь іонізованих кластерів і направляє її в мас-спектрометр 10, де аналізується їх масовий склад.
Типовий мас-спектр показаний на Мал. 5.6 .
Мал.5.6.
Типовий мас-спектр вуглецевих кластерів
Уздовж горизонталі тут відкладена маса кластерів в одиницях маси ізольованого атома вуглецю, уздовж вертикалі - відносна інтенсивність відповідних "мас-спектральних ліній". Інтенсивність "ліній", починаючи від маси в 38 мас атома вуглецю, показана в 10-кратному масштабі. Як бачимо, в випарах графіту виявлено присутність різноманітних кластерів з масою, кратної масі атома вуглецю. Більш вірогідним і стабільним з'єднанням відповідають і більш інтенсивні спектральні лінії.
фулерени
Серед кластерів з числом атомів понад 30 особливо виділялася спектральна лінія, відповідна частинкам, що складається з 60 атомів вуглецю, тобто з масою 720 а.е.м. Результати експериментальних досліджень і теоретичного з'ясування природи цих частинок були удостоєні Нобелівської премії в галузі хімії за 1996 р Виявилося, що це - молекули С60, структура яких показана на Мал. 5.7 зліва.
У ній все атоми вуглецю в стані гібридизації розташовані на поверхні молекули, що складається з 20 шестикутних і 12 п'ятикутних граней і схожою за формою на футбольний м'яч. Кожен атом має трьох найближчих сусідів, з якими з'єднаний -зв'язків. Молекула, крім того, має ще і зв'язує молекулярну орбіталь, що огортає її каркас ззовні і зсередини і додатково її зміцнюючу. На честь архітектора Р. Б. Фуллера, який будував витончені оригінальні склепіння в формі ікосаедра, за структурою дуже схожі на молекулу 
, Ця молекула була названа фулереном. Діаметр молекули становить приблизно 0,9 нм.
У мас-спектрі на Мал. 5.6 виділяється також пік, відповідний кластерам з 70 атомів вуглецю. Пізніше було встановлено, що це теж молекули вуглецю, схожі на молекули . Маючи не 20, а 25 шестикутників на поверхні, молекули 
трохи подовжені в порівнянні з молекулами і нагадують за формою м'яч для регбі. Результат квантово-механічних комп'ютерних розрахунків молекули показаний на Мал. 5.7 праворуч. Так виглядає ззовні електронна "шуба" цієї молекули. молекула теж названа фулереном. Пізніше було виявлено існування і багатьох інших "фулеренів" - замкнутих, порожніх всередині, об'ємних молекул з атомів вуглецю, що складаються з меншого (наприклад, з 20 - в найменшому можливому фулеренів) або з більшої кількості атомів, наприклад, з 240, 540 і навіть з 960 атомів.
Фуллерен добре розчинний в бензолі. При повільному випаровуванні розчинника вдається виростити молекулярні монокристали цього фулерену. Вони мають гранецентрированную просторову кристалічну решітку з відстанями між центрами сусідніх молекул приблизно в 1 нм. Зв'язок молекул в цьому кристалі, як і в інших молекулярних кристалах, забезпечується силами Ван-дер-Ваальса. Кристали ці названі "фуллеритом".
Оскільки всередині молекул фулерену є досить велика (по атомним мірками) порожнину, то в цю порожнину, як виявилося, можуть бути "капсульованих" інші атоми або іони. на Мал. 5.8 показані два приклади молекул фулерену з капсульованих всередині них атомами азоту і лантану.
Такі молекули отримують, якщо в струмінь інертного газу, позначену на Мал. 5.5 цифрою 4, ввести атоми відповідного хімічного елемента. Тоді при утворенні молекул фулерену всередину частини з них захоплюється один або кілька відповідних атомів. Для такого роду невідомих раніше хімічних сполук довелося ввести спеціальне хімічне позначення. Наприклад, хімічна формула 
означає атом лантану, капсульований всередині молекули фулерену 
.
Капсульованих атоми істотно змінюють властивості відповідних молекул фулерену - їх молекулярну масу, магнітний момент, електричний заряд і т.д. Кристали фуллерена з капсульованих іонами лужних металів виявилися, наприклад, сверхпроводящими. кристал 
(Три іона калію, капсульованих в молекулі фулерену ), Переходить в надпровідний стан при температурі 18 К, а кристал 
- при температурі 33 К. (Прим.: Атоми лужних металів при капсулювання віддають молекулі фулерену свій зовнішній електрон і помітно зменшуються в розмірі, завдяки чому в порожнині фулерену вміщається не один атом, а 3 іона. Отримані від лужного металу електрони переходять на не зайняту молекулярну орбіталь і "розмазуються" по всій молекулі).
Міцна, стійка, вишукана молекула фулерену , Як і бензольне кільце, може бути конструктивною основою і "будівельним блоком" багатьох інших, невідомих раніше, молекул.
Цілеспрямовану модифікацію молекул фулеренів шляхом приєднання до них молекулярних груп зі специфічними властивостями називають "спеціалізацією" фулеренів.
Серед вуглецевих кластерів, отриманих в дослідах, були виявлені також схожі на фулерени освіти, заповнені атомами вуглецю не тільки на поверхні, але і всередині. Виявилося, що це менші за розмірами фулерени всередині більших. Такі утворення називають "вуглецевими цибулинами".
