Fysikere afslører mysteriet om stabile fullerener

Forskere ved National Research Nuclear University MEPhI (Rusland) har forklaret stabiliteten af ​​nitrogen-dopede fullerener, hvilket gør deres industrielle produktion og anvendelse lettere. Artiklen blev offentliggjort i Physica E:Lavdimensionelle systemer og nanostrukturer .

Kulstof er et af de mest almindelige kemiske grundstoffer på Jorden. Det er en del af alle organiske og mange uorganiske forbindelser. Inden slutningen af ​​det 20. århundrede, kun to af dets allotropiske former, diamant og grafit, var kendt. Til dato, forskere har opdaget masser af andre former, der allerede bruges inden for elektronik, farmakologi og energi.

En af de mest lovende blandt disse former er fullerener - hule kugler, der indeholder fra 20 til flere hundrede kulstofatomer. Deres opdagelse vandt Nobelprisen i kemi i 1996. Det blev konstateret, at hver fulleren kan fungere som en komplet nanoelektronisk enhed, såsom en diode eller en transistor. Takket være deres små dimensioner, fulleren -enheder er meget effektive og ekstremt hurtige.

Kemisk modificerede fullerener er det næste trin i udviklingen af ​​fulleren -teknologi. Udskiftning af doping, som omfatter udskiftning af et eller flere carbonatomer med atomer af et andet element, er en almindelig modifikationsmetode. Fullerenes overordnede struktur forbliver den samme, men dets elektroniske sammensætning og kemiske aktivitet ændres. Derfor, erstatning af doping øger variabiliteten af ​​fullerenernes egenskaber og udvider dermed anvendelsesområdet.

Carbon's nærmeste elementer i det periodiske system, bor eller nitrogen, bruges normalt som erstatninger. De har en atommasse og størrelse tæt på kulstof. Bor- og nitrogendopede fullerener er gode adsorbenter af medicinske stoffer og nervemidler. De adsorberer også med succes additiver.

Imidlertid, forskere opdagede, at syntetiserede nitrogendopede fullerener har en høj andel defekte isomerer, der adskiller sig fra de andre i struktur og egenskaber. De høje temperaturer, der kræves til syntese, forårsagede den såkaldte Stone-Wales-defekt, der destabiliserede fullerenbure. Det er vigtigt at bemærke, at bor-dopede fullerener var varmebestandige.

Professorerne Konstantin Katin og Mikhail Maslov søgte at forklare denne egenskab. Til deres forskning, de valgte den mindste fullerene, bestående af kun 20 atomer. På grund af sin lille størrelse, den er mindre stabil end andre fullerener. Derfor, årsagerne til defekter skal være mest tydelige.

Interaktion mellem fullerenatomer og distribution af elektroner i dets bur blev beskrevet ved hjælp af specielle matematiske modeller baseret på kvantemekanikkens love. Fysikerne brugte både specialiserede softwarepakker og deres egne originale programmer. Den mest komplicerede opgave var at fastslå sadelpunktets geometri, en fullerens konfiguration, når normal termisk excitation bliver irreversibel og på alle måder fører til defekten.

MEPhI's resultater gav en komplet forklaring på stabiliteten af ​​dopede fullerener. Baseret på kvantemekaniske ligninger, forskerne beviste, at i modsætning til bor, selv et atom af nitrogen kan destabilisere et fullerenbur på grund af at nitrogenets atom har en ekstra elektron.

"Vi fandt ud af, at det tager 4,93 eV at ødelægge den originale С20 fullerene, mens det kun tager 2,98 eV at ødelægge en C19N -dopet fuller. Klynger med mere nitrogen er endnu mindre stabile. Baseret på disse data, vi kan konkludere, at nitrogen-dopede fullerener er meget modtagelige for temperatur. Hvis temperaturen i en reaktor sænkes med kun ~ 20 ° C, reduceres andelen af ​​defekte fullerener betydeligt, "Forklarede Konstantin Katin.

Publikationen vakte stor international interesse blandt forskere, der forsker i produktion og anvendelse af dopede fullerener. Inden for de næste par år, der kan udvikles en teknologi til syntetisering af nitrogen-dopede fullerener ved lavere temperaturer. Teknologien kunne løse problemet med defekte isomerer og sikre, at egenskaberne ved den resulterende klynge kan gengives.