science >> Wetenschap >  >> Chemie

Nieuwe verbinding onthult fundamentele eigenschappen van kleinste koolstofnanobuisjes

1, 3-Diradicalen ingebed in gebogen parafenyleeneenheden:singlet versus triplet-toestand. De effecten van de kromming dragen bij aan hun grondspintoestand. Krediet:Manabu Abe, Universiteit van Hiroshima

Chemische ringen van koolstof- en waterstofatomen buigen om relatief stabiele structuren te vormen die in staat zijn om elektriciteit en meer te geleiden, maar hoe veranderen deze gebogen systemen wanneer nieuwe componenten worden geïntroduceerd? Onderzoekers in Japan ontdekten dat, met slechts een paar subatomaire toevoegingen, de eigenschappen kunnen draaien om systeemtoestanden en gedragingen te variëren, zoals aangetoond door een nieuwe gesynthetiseerde chemische verbinding.

De resultaten zijn gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"In het afgelopen decennium, moleculen met open schil hebben veel aandacht getrokken, niet alleen op het gebied van reactieve tussenproducten, maar ook in de materiaalkunde, " zei papier auteur Manabu Abe, hoogleraar aan de Graduate School of Advanced Science and Engineering, Universiteit van Hiroshima.

Moleculen met een open schil kunnen moleculen winnen of verliezen, wat betekent dat ze zich kunnen aanpassen aan de binding met andere chemicaliën. In koolstofnanobuisjes, bijvoorbeeld, ringen van koolstof- en waterstofatomen hechten sterk aan elkaar. Hoe meer ringen toegevoegd, echter, hoe meer de eigenschappen van de buis kunnen veranderen. Bekend als gebogen parafenylenen, of CPP's, Abe en zijn team onderzochten hoe de CPP zou kunnen veranderen als de moleculen met open schil zouden worden blootgesteld aan systemen met moleculaire banen die twee elektronen in verschillende toestanden bevatten. naast de koolstof- en waterstofatomen.

Het proces van het introduceren van deze diradicale systemen in de CPP's resulteerde in een nieuw type azoalkaan, of verbinding van stikstof en een groep zwak gebonden waterstof- en koolstofatomen. Dit azoalkaan vormde zich met zes CPP's en degenereerde tot zes CPP's met diradicalen.

"We hebben onderzocht om de effecten van de kromming en de systeemgrootte op de deeltjesinteracties te begrijpen, de verschillende staten en hun unieke kenmerken, ' zei Abé.

De onderzoekers ontdekten dat de CPP's met ingebedde diradicalen verschillende toestanden en eigenschappen hadden, zoals de intrinsieke beschrijving van een deeltje dat bekend staat als spin, afhankelijk van hoeveel CPP's resulteerden in het uiteindelijke systeem. draaien, het impulsmoment van een deeltje, kan bijdragen aan of de stabiliteit van een systeem belemmeren op basis van hoe de energie in balans is. Bijvoorbeeld, in een singlet-staat, een systeem blijft stabiel, zelfs met niet-gebonden elektronen, omdat hun spins tegengesteld zijn. Triplet-toestanden kunnen stabiel blijven, ook, omdat hun niet-gebonden elektronen parallel kunnen draaien.

"De spin-multipliciteit in de grondtoestand is grotendeels afhankelijk van de ringgrootte, "Abe zei, verwijzend naar de mogelijke oriëntaties die spin kan aannemen, die de stabiliteit van een systeem kan aangeven. "De singlet-grondtoestand had de voorkeur voor kleinere CPP-derivaten."

De kleinere singlet-toestanden - diradicaal CPP's met kleinere energiebereiken tussen orbitale schillen - toonden ook een gewenst kenmerk voor koolstofnanobuisjes:aromaticiteit, of stabielere uitlijning in een enkel vlak. Omdat de koolstof-waterstofringen zich met ongebruikelijke hoeken verbinden om de buizen te vormen, ze kunnen uit de lijn raken en resulteren in instabiliteit van het systeem. Hoe meer ringen er aan een systeem worden toegevoegd, hoe drukker het systeem wordt. Voor de kleinere singlet-state-systemen, de ringen zijn uitgelijnd in één vlak, wat resulteert in meer stabiliteit.

Volgende, de onderzoekers zijn van plan om deze in-plan aromaticiteit verder te onderzoeken, met als doel een zo groot mogelijke structuur te creëren met sterke bindingen die nog steeds deze stabiele eigenschap vertoont.