(PhysOrg.com) -- Peering door een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM), onderzoekers uit Duitsland, Spanje, en het VK hebben waargenomen dat grafeenplaten veranderen in bolvormige fullerenen, beter bekend als buckyballs, Voor de eerste keer. Het experiment zou licht kunnen werpen op het proces van hoe fullerenen worden gevormd, die tot dusver mysterieus is gebleven op atomaire schaal.

“Dit is de eerste keer dat iemand het mechanisme van de vorming van fullereen rechtstreeks heeft waargenomen, ” Andrei Khlobystov van de Universiteit van Nottingham vertelde PhysOrg.com . “Kort na de ontdekking van fullereen (precies 25 jaar geleden), het 'top-down'-mechanisme van fullereenassemblage werd voorgesteld. Echter, het werd al snel verworpen ten gunste van een veelvoud aan verschillende ‘bottom-up’-mechanismen, vooral omdat mensen niet konden begrijpen hoe een vlok grafeen een fullereen kon vormen en omdat ze geen middelen hadden om de vorming van fullereen in situ te observeren.”

Zoals de wetenschappers rapporteren in een recente studie gepubliceerd in Natuurchemie , er zijn vier hoofdstappen betrokken bij dit top-down vormingsproces van fullereen, die kan worden verklaard door kwantumchemische modellering. De cruciale eerste stap is het verlies van koolstofatomen aan de rand van de grafeenplaat. Omdat de koolstofatomen aan de rand van grafeen slechts door twee bindingen met de rest van de structuur zijn verbonden, de onderzoekers zouden de hoogenergetische elektronenstraal (of "e-beam") van de microscoop kunnen gebruiken om de atomen weg te chippen, een voor een. Terwijl blootgesteld aan de e-straal, de randen van de grafeenplaat lijken continu van vorm te veranderen.

Het verlies van koolstofatomen aan de rand van het grafeen is de meest cruciale stap in het proces, leggen de wetenschappers uit, omdat het de structuur destabiliseert en de volgende drie stappen in gang zet. De toename van het aantal bungelende koolstofbindingen aan de rand van het grafeen veroorzaakt de vorming van vijfhoeken aan de grafeenrand, die wordt gevolgd door de kromming van het grafeen in een komachtige vorm. Beide processen zijn thermodynamisch gunstig, omdat ze koolstofatomen aan de rand dichter bij elkaar brengen, waardoor ze een band met elkaar kunnen vormen.

In de vierde en laatste stap, de koolstofbindingen zorgen ervoor dat het gebogen grafeen zijn open randen "opritst" en een kooiachtige buckyball vormt. Omdat het ritsproces het aantal bungelende banden vermindert, het bolvormige fullereen vertegenwoordigt de meest stabiele configuratie van koolstofatomen onder deze omstandigheden. Zodra de randen volledig zijn verzegeld, er kunnen geen koolstofatomen meer verloren gaan, en het nieuw gecreëerde fullereen blijft intact onder de e-beam.

Hoewel bolvormige fullerenen al in hoge opbrengsten kunnen worden gegenereerd uit grafiet (dat is gemaakt van vele op elkaar gestapelde grafeenvellen), tot nu toe hebben wetenschappers de onderliggende mechanismen van hun vorming niet volledig begrepen. Door het proces in realtime te observeren in dit onderzoek, de onderzoekers hebben de structurele veranderingen kunnen identificeren die het grafeen ondergaat om steeds ronder te worden en een perfect fullereen te vormen. De resultaten helpen het mysterie van de vorming van fullereen te ontrafelen door uit te leggen, bijvoorbeeld, hoe laserablatie werkt als een productiemethode voor fullereen:de e-beam van de microscoop, vergelijkbaar met een laserstraal, levert de energie om de koolstofbindingen te verbreken en dient als de kritische eerste stap in het vormingsproces.

“De sleutel tot de directe visualisatie van fullereenvorming is (i) atomair dunne grafeenvlokken die loodrecht op de elektronenstraal zijn gemonteerd; (ii) voor aberratie gecorrigeerde TEM met hoge resolutie die beeldvorming met atomaire resolutie mogelijk maakt; en (iii) zorgvuldige analyse van de evolutie van grafeen naar fullereen, beeldsimulatie en correlatie van de experimentele gegevens met theoretische berekeningen, ', zei Chlobystov. "Dit is de reden waarom onze studie zoveel meer ontdekt dan eerdere TEM-onderzoeken."

In aanvulling, de resultaten helpen bij het verklaren van de hoge abundantie van C ₆₀ en C ₇₀ fullerenen (fullerenen samengesteld uit 60 of 70 koolstofatomen) gevonden in verschillende methoden voor de productie van fullereen. De onderzoekers ontdekten dat een grote (meer dan 100 koolstofatomen) initiële grafeenvlok een aanzienlijke energiestraf oplegt tijdens de gebogen stap, zodat de randen verder worden weggesneden totdat het klein genoeg is om te buigen. Anderzijds, zeer kleine (minder dan 60 atomen) grafeenvlokken ervaren overmatige spanning op de koolstofbindingen tijdens de gebogen stap, voorkomen dat ze sluiten. Dus om het thermodynamisch aangedreven vormingsproces mogelijk te maken, fullerenen hebben uiteindelijk een smal bereik van diameters van gemiddeld ongeveer één nanometer, wat overeenkomt met 60-100 koolstofatomen.

“Het begrijpen van het vormingsproces van fullereen leert ons over het fundamentele verband tussen verschillende vormen van koolstof, ', zei Chlobystov. "Ook, het opent nieuwe wegen voor de fabricage van moleculaire nanostructuren met behulp van de e-beam. Dit is een nieuwe manier om scheikunde te doen en moleculen te bestuderen!”

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.