Forskare vid National Research Nuclear University MEPhI (Ryssland) har förklarat stabiliteten hos kvävedopade fullerener, vilket underlättar deras industriella produktion och tillämpning. Artikeln publicerades i Physica E:Lågdimensionella system och nanostrukturer .

Kol är ett av de vanligaste kemiska elementen på jorden. Det är en del av alla organiska och många oorganiska föreningar. Före slutet av 1900 -talet, endast två av dess allotropa former, diamant och grafit, var kända. Hittills, forskare har upptäckt många andra former som redan används inom elektronik, farmakologi och energi.

En av de mest lovande bland dessa former är fullerener - ihåliga sfärer som innehåller från 20 till flera hundra kolatomer. Deras upptäckt vann Nobelpriset i kemi 1996. Det visade sig att varje fulleren kan fungera som en komplett nanoelektronisk enhet, såsom en diod eller en transistor. Tack vare deras små dimensioner, fullerenenheter är mycket effektiva och extremt snabba.

Kemiskt modifierade fullerener är nästa steg i utvecklingen av fulleren -teknik. Ersätter dopning, som innefattar att en eller flera kolatomer ersätts med atomer av ett annat element, är en vanlig modifieringsmetod. Fullerens övergripande struktur förblir densamma, men dess elektroniska sammansättning och kemiska aktivitet förändras. Därför, genom att ersätta doping ökar variationen av fullerenernas egenskaper och utökar därmed tillämpningsområdet.

Kols närmaste element i det periodiska systemet, bor eller kväve, används vanligtvis som substitut. De har en atommassa och storlek nära kolens. Bor- och kväve-dopade fullerener är bra adsorbenter av medicinska ämnen och nervmedel. De adsorberar också framgångsrikt tillsatser.

Dock, forskare upptäckte att syntetiserade kväve-dopade fullerener har en hög andel defekta isomerer som skiljer sig från de andra i struktur och egenskaper. De höga temperaturer som krävs för syntes orsakade den så kallade Stone-Wales-defekten som destabiliserade fullerenburar. Det är viktigt att notera att bor-dopade fullerener var värmebeständiga.

Professorerna Konstantin Katin och Mikhail Maslov försökte förklara denna egenskap. För deras forskning, de valde den minsta fulleren, bestående av endast 20 atomer. På grund av sin lilla storlek, den är mindre stabil än andra fullerener. Därför, orsakerna till defekter bör vara tydligast.

Interaktion mellan fullerenatomer och distribution av elektroner i sin bur beskrevs med hjälp av speciella matematiska modeller baserade på kvantmekanikens lagar. Fysikerna använde både specialiserade mjukvarupaket och egna originalprogram. Den mest komplicerade uppgiften var att fastställa sadelpunktens geometri, en fullerens konfiguration när normal termisk excitation blir irreversibel och med alla medel leder till defekten.

MEPhI:s resultat gav en fullständig förklaring av stabiliteten hos dopade fullerener. Baserat på kvantmekaniska ekvationer, forskarna bevisade att till skillnad från bor, även en kväveatom kan destabilisera en fullerenbur på grund av att kväveatomen har ytterligare en elektron.

"Vi fann att det tar 4,93 eV för att förstöra den ursprungliga С20 -fullerenen medan det bara tar 2,98 eV för att förstöra en C19N -dopad fulleren. Kluster med mer kväve är ännu mindre stabila. Baserat på dessa data, vi kan dra slutsatsen att kväve-dopade fullerener är mycket känsliga för temperatur. Att sänka temperaturen i en reaktor med endast ~ 20 ° C kommer att avsevärt minska andelen defekta fullerener, "Konstantin Katin förklarade.

Publikationen väckte stort internationellt intresse bland forskare som forskar om produktion och tillämpning av dopade fullerener. Under de närmaste åren, en teknik kan utvecklas för syntetisering av kväve-dopade fullerener vid lägre temperaturer. Tekniken kan lösa problemet med defekta isomerer och säkerställa att egenskaperna hos det resulterande klustret kan reproduceras.