Wetenschappers van de National Research Nuclear University MEPhI (Rusland) hebben de stabiliteit van met stikstof gedoteerde fullerenen verklaard, wat hun industriële productie en toepassing gemakkelijker maakt. Het artikel is gepubliceerd in Physica E:Laagdimensionale systemen en nanostructuren .

Koolstof is een van de meest voorkomende chemische elementen op aarde. Het maakt deel uit van alle organische en vele anorganische verbindingen. Voor het einde van de 20e eeuw, slechts twee van zijn allotrope vormen, diamant en grafiet, waren bekend. Daten, wetenschappers hebben tal van andere vormen ontdekt die al in de elektronica worden gebruikt, farmacologie en energie.

Een van de meest veelbelovende onder deze vormen zijn fullerenen - holle bollen die 20 tot enkele honderden koolstofatomen bevatten. Hun ontdekking won de Nobelprijs voor Scheikunde in 1996. Er werd ontdekt dat elk fullereen kan fungeren als een compleet nano-elektronisch apparaat, zoals een diode of een transistor. Dankzij hun kleine afmetingen, fullereen-apparaten zijn zeer efficiënt en extreem snel.

Chemisch gemodificeerde fullerenen zijn de volgende fase in de ontwikkeling van fullereentechnologie. Doping vervangen, waaronder het vervangen van een of meer koolstofatomen door atomen van een ander element, is een veelgebruikte modificatiemethode. De algehele structuur van Fullerene blijft hetzelfde, maar de elektronische samenstelling en chemische activiteit veranderen. Daarom, het vervangen van doping verhoogt de variabiliteit van de kenmerken van fullerenen en breidt daarmee de reikwijdte van hun toepassing uit.

De dichtstbijzijnde elementen van koolstof in het periodiek systeem, boor of stikstof, worden meestal als vervanging gebruikt. Ze hebben een atomaire massa en grootte die dicht bij die van koolstof ligt. Met boor en stikstof gedoteerde fullerenen zijn goede adsorbentia van medische stoffen en zenuwgassen. Ze adsorberen ook met succes additieven.

Echter, wetenschappers ontdekten dat gesynthetiseerde, met stikstof gedoteerde fullerenen een hoog aandeel defecte isomeren hebben die verschillen van de andere in structuur en kenmerken. De hoge temperaturen die nodig zijn voor de synthese veroorzaakten het zogenaamde Stone-Wales-defect dat fullereenkooien destabiliseerde. Het is belangrijk op te merken dat met boor gedoteerde fullerenen hittebestendig waren.

Professoren Konstantin Katin en Mikhail Maslov probeerden dit kenmerk te verklaren. Voor hun onderzoek hebben ze kozen het kleinste fullereen, bestaande uit slechts 20 atomen. Door zijn kleine formaat, het is minder stabiel dan andere fullerenen. Daarom, de oorzaken van defecten moeten het duidelijkst zijn.

De interactie van fullereenatomen en de verdeling van elektronen in de kooi werden beschreven met behulp van speciale wiskundige modellen gebaseerd op de wetten van de kwantummechanica. De natuurkundigen gebruikten zowel gespecialiseerde softwarepakketten als hun eigen originele programma's. De meest gecompliceerde taak was om de geometrie van het zadelpunt vast te stellen, de configuratie van een fullereen wanneer normale thermische excitatie onomkeerbaar wordt en in alle opzichten tot het defect leidt.

De resultaten van MEPhI gaven een volledige verklaring van de stabiliteit van gedoteerde fullerenen. Op basis van kwantummechanica-vergelijkingen, de onderzoekers bewezen dat, in tegenstelling tot boor, zelfs één stikstofatoom kan een fullereenkooi destabiliseren omdat het stikstofatoom één extra elektron heeft.

"We ontdekten dat het 4,93 eV kost om het originele С20 fullereen te vernietigen, terwijl het slechts 2,98 eV kost om een ​​met C19N gedoteerd fullereen te vernietigen. Clusters met meer stikstof zijn nog minder stabiel. Op basis van deze gegevens, we kunnen concluderen dat met stikstof gedoteerde fullerenen zeer temperatuurgevoelig zijn. Het verlagen van de temperatuur in een reactor met slechts ~20°C zal het aandeel defecte fullerenen aanzienlijk verminderen, ' legde Konstantin Katin uit.

De publicatie wekte grote internationale belangstelling bij wetenschappers die onderzoek deden naar de productie en toepassing van gedoteerde fullerenen. Binnen de komende jaren zal er kan een technologie worden ontwikkeld voor het synthetiseren van met stikstof gedoteerde fullerenen bij lagere temperaturen. De technologie zou het probleem van defecte isomeren kunnen oplossen en ervoor kunnen zorgen dat de kenmerken van het resulterende cluster kunnen worden gereproduceerd.