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フラーレン (fullerene) は多数の炭素原子で構成されるクラスターの総称である。1985年に最初に発見されたのは、炭素原子60個で構成されるサッカーボール状の構造を持ったC₆₀フラーレンである。この発見により、ハロルド・クロトー、リチャード・スモーリー、ロバート・カールは、1996年度のノーベル化学賞を受賞した。

C₆₀フラーレンの発見は1985年であるが、それ以前に C₆₀ 構造の存在を予言していた学者がいる。豊橋技術科学大学の大澤映二は、1970年頃、ベンゼンが5つ集まって皿状になった「コランニュレン」という物質の構造がサッカーボールの一部と同じであることに気づいた。ここから、実際にサッカーボール状の C₆₀ も存在しうると考え、考察の結果を邦文雑誌などに公表した。だが、これが掲載されたのは日本語の文献のみで、英語などでは発表していなかったため、欧米の科学者には知られることなく、ほぼ15年後に実在が確認される結果となった。

1992年、ロシアのカレリア共和国産の炭素鉱物シュンガ石 (shungite) に C₆₀ が含まれていると報告された。その後京都大学で分析が行われ、2004年に重量比で約20ppmの C₆₀ が含まれていると発表されたhttp://www.nanostruct-mater.jst.go.jp/dew/2004/tanaka01.html。2007年現在、生成の機構は不明である。

◆ バリエーション

◇ C₆₀フラーレン

炭素原子60個からなる切頂二十面体(サッカーボール状)構造のフラーレンを、C₆₀フラーレンと呼ぶ。IUPAC命名法では (C₆₀-I_h)[外部リンク]5,6フラーレンという。また、同様の構造を持ったドームジオデシック・ドームのデザイナーであるバックミンスター・フラーの名をとって、バックミンスターフラーレン (Buckminsterfullerene) 、バッキーボール (Buckyball) とも呼ぶ。6員環が20、5員環が12、60本の単結合、30本の二重結合で形成されており、余った結合が出ない安定な構造である。

フラーレン (C₆₀) は、固体構造(ファンデルワールス結晶)をとる場合がある。C₆₀ を一つの粒子とみなして、その粒子が面心立方構造(常温での安定相)をとる。260 K以下では、単純立方構造が安定となる。また、常温での準安定相として六方晶構造も存在する。これらの構造で、個々のフラーレンは高速で回転している。常温で毎秒およそ10⁸から10⁹回転するが、低温では回転は止まる。さらに、その粒子間(C₆₀間)にアルカリ金属などがインターカレートした構造も存在(面心立方的構造、体心立方的構造などとなる)する。アルカリ金属などをインターカレートした構造の中には、超伝導を示すものも存在する。カリウムをドープした K₃C₆₀ は C₆₀ を面心立方 (fcc) で組み上げ C₆₀ 分子間に K⁺ が入り込む形になっていて、その転移温度は30Kを超える。他に二価金属のBaでも Ba₄C₆₀ となり、10K以下だがやはり超伝導を示す。

◇ 高次フラーレン

炭素原子の数が60個を超えているクラスターも存在する。これを高次フラーレンと呼ぶ。アーク放電法などによるC₆₀フラーレン合成の際、これら高次フラーレンが少量ながら生成される。炭素数が70, 74, 76, 78……のものなどが単離されている。これらも全て5員環・6員環から成っており、7員環以上の環を持つフラーレンは実際には発見されていない。炭素の数がいくつになっても5員環の数は12と決まっており、6員環の数だけが増えていく(オイラーの多面体定理より)。

また、フラーレン骨格においては5員環は隣り合わせにならないという規則がある(孤立5員環則、IPR)。C₆₀ フラーレンはIPRを満たす最小のフラーレンであり、その次が C₇₀ となる。C₆₂ や C₆₈ などが発見されないのは、これらがIPRを満たし得ない炭素数だからと考えられる(ただし後述のように、内包フラーレンでは例外が存在する)。

◇カーボンナノチューブ

炭素によって作られる六員環ネットワーク(グラフェンシート)が単層あるいは多層の同軸管状になった物質。炭素の同素体で、フラーレンの一種に分類されることがある。詳しくはカーボンナノチューブを参照。

◆ 合成法

クロトー、スモーリー、カールは真空状態でグラファイトにレーザー光線を当てて蒸発させ、フラーレンを発見した。この方法によって得られるフラーレンの量は極少量であったが、1990年にドイツでアーク放電により大量にフラーレンを合成する方法が発見され、フラーレンの研究が進展するきっかけとなった。その後、炭化水素を燃焼させたりプラズマで分解するなど、さまざまな方法が開発されている。2000年代に入り、燃焼法によるトン単位の大量生産も行われるようになった。

一方、フラーレンの有機化学的手法による合成は難航したが、2002年になってようやく成功した(収率は約0.1%?1%)Scott, L. T. et al. (2002). Science 295: 1500.。

◆ 内包フラーレン

フラーレン生成時にある種の金属元素を加えておくと、中空の骨格内に金属原子を包み込んだフラーレンが得られる。これを内包フラーレンと呼び、M@C₆₀ などと書き表す。これまでスカンジウム、ランタン、セリウム、チタンなどを内包したフラーレンが得られているが、アルミニウムや鉄、金などを内包したものは得られておらず、こうした選択性の理由ははっきりしていない。

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