Welke fotofysische eigenschappen heeft carbyne? Dit was het onderwerp van onderzoek uitgevoerd door wetenschappers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), de Universiteit van Alberta, Canada, en de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland, wat heeft geleid tot een beter begrip van de eigenschappen van deze ongebruikelijke vorm van koolstof. Hun bevindingen zijn nu gepubliceerd in de nieuwste editie van het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Koolstof heeft een heel speciale status in het periodiek systeem der elementen en vormt de basis voor alle vormen van leven vanwege het extreem grote aantal chemische verbindingen dat het kan vormen, " legt Prof. Dr. Dirk M. Guldi van de leerstoel Fysische Chemie I bij FAU uit. "De bekendste voorbeelden zijn driedimensionaal grafiet en diamant. Echter, tweedimensionaal grafeen, eendimensionale nanobuisjes en nuldimensionale nanodots bieden in de toekomst ook nieuwe mogelijkheden voor elektronische toepassingen."

Materiaal met buitengewone eigenschappen

Carbyne is een modificatie van koolstof, bekend als een allotroop. Het is synthetisch vervaardigd, bestaat uit één enkele en zeer lange keten van koolstofatomen, en wordt beschouwd als een materiaal met uiterst interessante elektronische en mechanische eigenschappen. "Echter, koolstof heeft een hoge mate van reactiviteit in deze vorm, " benadrukt prof. dr. Clémence Corminboef van EPFL. "Zulke lange ketens zijn extreem onstabiel en dus erg moeilijk te karakteriseren."

Ondanks dit feit, het internationale onderzoeksteam heeft de ketens succesvol gekarakteriseerd via een omweg. De wetenschappers onder leiding van Prof. Dr. Dirk M. Guldi bij FAU, Prof. Dr. Clémence Corminboeuf, Prof. Dr. Holger Frauenrath van EPFL en Prof. Dr. Rik R. Tykwinski van de Universiteit van Alberta stelden bestaande veronderstellingen over de fotofysische eigenschappen van carbyne in vraag en kregen nieuwe inzichten.

Tijdens hun onderzoek hebben het team richtte zich vooral op de zogenaamde oligoynen. "We kunnen carbynketens van specifieke lengtes maken en ze beschermen tegen ontbinding door een soort bumper gemaakt van atomen aan de uiteinden van de ketens toe te voegen. Deze klasse verbinding heeft voldoende chemische stabiliteit en staat bekend als een oligoyn, " legt prof. dr. Holger Frauenrath van EPFL uit.

De optische band gap gebruiken

De onderzoekers vervaardigden specifiek twee series oligoynen met variërende symmetrieën en met maximaal 24 alternerende drievoudige en enkele bindingen. Met behulp van spectroscopie, ze volgden vervolgens de deactiveringsprocessen van de relevante moleculen van excitatie met licht tot volledige ontspanning. "We waren dus in staat om het mechanisme achter het hele deactiveringsproces van de oligoynen te bepalen van een aangeslagen toestand tot in hun oorspronkelijke begintoestand en, dankzij de gegevens die we hebben verzameld, konden we een voorspelling doen over de eigenschappen van carbyne, " concludeert Prof. Dr. Rik R. Tykwinski van de Universiteit van Alberta.

Een belangrijke bevinding was het feit dat de zogenaamde optische band gap in werkelijkheid veel kleiner is dan eerder werd aangenomen. Band gap is een term uit de halfgeleiderfysica en beschrijft de elektrische geleidbaarheid van kristallen, metalen en halfgeleiders. "Dit is een enorm voordeel, " zegt prof. Guldi. "Hoe kleiner de band gap, hoe minder energie er nodig is om elektriciteit te geleiden." Silicium, bijvoorbeeld, die wordt gebruikt in microchips en zonnecellen, bezit deze belangrijke eigenschap. Carbyne zou in de toekomst kunnen worden gebruikt in combinatie met silicium vanwege de uitstekende fotofysische eigenschappen.