Indstillelige elektroniske egenskaber til metallofullerener

Nye tunbare metallofullerener er udviklet af et forskerhold, der omfatter forskere fra University of Electro-Communications, Tokyo.

Små nanoskala molekyler i form af sfæriske kulstofbure, eller 'fullerener', har fået stor opmærksomhed i de seneste år. Individuelle eller små grupper af atomer kan fanges inde i fullerener, skabe stabile molekyler med unikke elektroniske strukturer og usædvanlige egenskaber, der kan udnyttes inden for nanomaterialer og biomedicinsk videnskab.

Endohedrale metallofullerener (EMF'er) er en sådan klasse af molekyler, hvor et eller flere metalatomer er indkapslet inde i mange slags kulbure. Vigtigt, metalatomet (erne) ikke er kemisk bundet til kulstofomgivelserne, men de donerer elektroner til kulburet. Forskere er for nylig begyndt at forstå, hvordan man styrer bevægelsen, adfærd og positionering af de vedlagte atomer ved at tilføje andre atomer, såsom silicium eller germanium (i deres silyl- eller germylgrupper), til den fuldere overflade. Dette giver mulighed for manipulation og finjustering af EMF's egenskaber.

Nu, Masahiro Kako og kolleger ved University of Electro-Communications i Tokyo, sammen med forskere i hele Japan og USA, har skabt og analyseret virkningerne af silylering og germylering på en EMF kaldet Lu3N@Ih-C80 (tre lutetiumatomer bundet til et nitrogenatom indkapslet inde i et kulstof 80-bur).

Ved hjælp af røntgenkrystallografi, elektrokemiske analyser og teoretiske beregninger, teamet opdagede, at tilføjelse af silylgrupper eller germylgrupper til fullerenstrukturen var en alsidig måde at kontrollere EMF's elektroniske egenskaber på. Den nøjagtige positionering af silyl- eller germylgrupperne i binding til kulstofstrukturen bestemte de energimellemrum, der er til stede i EMF, og bestemte orienteringen af ​​de bundne metalatomer inde i buret.

Germylgrupperne donerede flere elektroner, og processen fungerede lidt mere effektivt end silylgrupperne, men Kako og hans team mener, at begge giver en effektiv måde at finjustere EMF elektroniske egenskaber.

En kort historie med fulderener

Fullerener er kulstofmolekyler, der har form af kugler. Den mest berømte og rigelige fullerene er buckminsterfullerene, eller 'buckyball', C60, der ligner en fodbold i form med et bundet carbonatom på hvert punkt i hver polygon.

Endohedrale metallofullerener, eller EMF'er, er skabt ved at fange et metalatom eller atomer inde i et fullerenbur, snarere som en hamster i en bold. Det / de fangne ​​atom (er) er ikke kemisk bundet til carbonet, men de interagerer med det ved at donere elektroner, og skaber dermed unikke og meget nyttige molekyler til nanomaterialevidenskab og biomedicin.

Silylering og germylering

Tilsætning af andre atomer til fullerenoverflader kan påvirke EMF -egenskaber, ved at regulere metalatomernes adfærd inde i fullerenburet. I en EMF, bevægelsen af ​​lanthanatomer er begrænset til to dimensioner ved tilsætning af silylgrupper til carbonburet. Dette ændrer de elektrostatiske potentialer inde i buret og begrænser lanthanatomernes mobilitet, og ændrer dermed de samlede egenskaber ved hele molekylet.

Denne undersøgelse af Masahiro Kako og medarbejdere forbedrer yderligere forståelsen af ​​virkningerne af silylering og germalytion (tilføjelse af siliciumbaserede og germaniumbaserede grupper) på lutetiumbaserede EMF'er. Teamet har vist, at den nøjagtige placering af de ekstra atomer i kulstofstrukturen kan påvirke energigabet over molekylet, hvorved de kan indstille de elektroniske egenskaber ved EMF. Denne evne til at 'finjustere' EMF'er kan have nogle anvendelser til funktionelle materialer inden for molekylær elektronik, såsom acceptorer i organiske solcelleanordninger.

Kako og hans team håber at kunne foretage yderligere undersøgelser af tilføjelsen af ​​alternative grupper af atomer til fullerener, at tilføje tuningegenskaberne for silicium- og germanium-baserede grupper. Dette kan udvide i alsidigheden af ​​EMF'er og deres potentielle anvendelser i fremtiden.