Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

For første gang, forskere observerer, at grafenplader bliver til buckyballs (med video)

Disse billeder fra et transmissionselektronmikroskop viser dannelsen af ​​fulleren fra grafen. I en), kanterne på grafenarket ændrer konstant form, når de udsættes for e-strålen. (b) viser det endelige produkt, mens (c)-(h) viser nærbilleder af sekvensen af ​​en grafenflage, der omdannes til en fulleren. Billedkredit:Andrey Chuvilin, et al.

(PhysOrg.com) -- Kigger gennem et transmissionselektronmikroskop (TEM), forskere fra Tyskland, Spanien, og Det Forenede Kongerige har observeret, at grafenplader forvandles til sfæriske fullerener, bedre kendt som buckyballs, for første gang. Eksperimentet kunne kaste lys over processen med, hvordan fullerener dannes, som hidtil er forblevet mystisk på atomskalaen.

"Dette er første gang, at nogen direkte har observeret mekanismen for fullerendannelse, ” fortalte Andrei Khlobystov fra University of Nottingham PhysOrg.com . "Kort efter opdagelsen af ​​fulleren (for præcis 25 år siden), "top-down"-mekanismen for fullerensamling blev foreslået. Imidlertid, det blev hurtigt afvist til fordel for en lang række forskellige 'bottom-up'-mekanismer, hovedsagelig fordi folk ikke kunne forstå, hvordan en flage af grafen kunne danne en fulleren, og fordi de ikke havde midler til at observere fullerendannelsen in situ."

Som forskerne rapporterer i en nylig undersøgelse offentliggjort i Naturkemi , der er fire hovedtrin involveret i denne top-down fullerendannelsesproces, som kan forklares ved kvantekemisk modellering. Det kritiske første skridt er tabet af kulstofatomer ved kanten af ​​grafenarket. Fordi kulstofatomerne ved kanten af ​​grafen er forbundet med kun to bindinger til resten af ​​strukturen, forskerne kunne bruge mikroskopets højenergielektronstråle (eller "e-stråle") til at flise atomerne væk, en efter en. Mens de udsættes for e-strålen, kanterne af grafenarket ser ud til konstant at ændre form.

Tabet af kulstofatomer på kanten af ​​grafen er det mest afgørende trin i processen, forskerne forklarer, da det destabiliserer strukturen og udløser de efterfølgende tre trin. Stigningen i antallet af dinglende kulstofbindinger ved kanten af ​​grafenet forårsager dannelsen af ​​femkanter på grafenkanten, som efterfølges af kurven af ​​grafen til en skållignende form. Begge disse processer er termodynamisk gunstige, da de bringer carbonatomer på kanten tættere på hinanden, giver dem mulighed for at danne bånd til hinanden.

Denne video viser transformationen af ​​et grafenark til en fulleren (dannes øverst i midten af ​​billederne). Videokredit:Andrey Chuvilin, et al.

I det fjerde og sidste trin, kulstofbindingerne får den buede grafen til at "zippe" sine åbne kanter og danne en burlignende buckyball. Fordi lynlåsprocessen reducerer antallet af dinglende bindinger, den sfæriske fulleren repræsenterer den mest stabile konfiguration af carbonatomer under disse betingelser. Når kanterne er helt forseglet, ingen yderligere kulstofatomer kan gå tabt, og den nyoprettede fulleren forbliver intakt under e-strålen.

Selvom sfæriske fullerener allerede kan genereres i høje udbytter fra grafit (som er lavet af mange grafenplader stablet sammen), indtil nu har videnskabsmænd ikke fuldt ud forstået de underliggende mekanismer for deres dannelse. Ved at observere processen i realtid i denne undersøgelse, forskerne har været i stand til at identificere de strukturelle ændringer, som grafenen gennemgår for at blive stadig mere rund og danne en perfekt fulleren. Resultaterne hjælper med at opklare mysteriet om fullerendannelse ved at forklare, for eksempel, hvordan laserablation fungerer som en fulderenproduktionsmetode:mikroskopets e-stråle, ligner en laserstråle, leverer energien til at bryde kulstofbindingerne og tjene som det kritiske indledende trin i dannelsesprocessen.

"Nøglen til den direkte visualisering af fullerendannelse er (i) atomisk tynde grafenflager monteret vinkelret på elektronstrålen; (ii) aberrationskorrigeret højopløsnings-TEM, der muliggør billeddannelse med atomopløsning; og (iii) omhyggelig analyse af udviklingen af ​​grafen til fulleren, billedsimulering og korrelation af de eksperimentelle data med teoretiske beregninger, " sagde Khlobystov. "Det er grunden til, at vores undersøgelse opdager så meget mere end tidligere TEM-studier."

Ud over, resultaterne hjælper med at forklare den høje overflod af C 60 og C 70 fullerener (fullerener sammensat af 60 eller 70 carbonatomer) findes i forskellige metoder til fullerenproduktion. Forskerne fandt ud af, at en stor (mere end 100 kulstofatomer) indledende grafenflage pålægger en betydelig energistraf under krumningstrinnet, så dens kanter fortsætter med at blive skåret væk, indtil den er lille nok til at bue. På den anden side, meget små (mindre end 60 atomer) grafenflager oplever overdreven belastning af kulstofbindingerne under krumningstrinnet, forhindrer dem i at lukke op. Så for at muliggøre den termodynamisk drevne dannelsesproces, fullerener ender med at have et snævert område af diametre i gennemsnit omkring en nanometer, hvilket svarer til 60-100 kulstofatomer.

"Forståelse af fullerendannelsesprocessen lærer os om den grundlæggende forbindelse mellem forskellige former for kulstof, " sagde Khlobystov. "Også, det åbner nye veje til fremstilling af molekylære nanostrukturer ved hjælp af e-beam. Dette er en ny måde at lave kemi på og at studere molekyler på!"

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.




Varme artikler