Kemiska ringar av kol- och väteatomer kröker för att bilda relativt stabila strukturer som kan leda elektricitet och mer — men hur förändras dessa krökta system när nya komponenter introduceras? Forskare baserade i Japan fann att med bara några subatomära tillägg, egenskaperna kan vridas för att variera systemtillstånd och beteenden, som demonstreras genom en ny syntetiserad kemisk förening.

Resultaten publicerades i Journal of the American Chemical Society .

"Under det senaste decenniet, molekyler med öppet skal har väckt stor uppmärksamhet inte bara inom området reaktiva intermediärer, men också inom materialvetenskap, " sa pappersförfattaren Manabu Abe, professor vid Graduate School of Advanced Science and Engineering, Hiroshima universitet.

Molekyler med öppet skal kan få eller förlora molekyler, vilket innebär att de kan anpassa sig för att binda till andra kemikalier. I kolnanorör, till exempel, ringar av kol- och väteatomer binder starkt till varandra. Ju fler ringar som läggs till, dock, desto mer kan rörets egenskaper förändras. Känd som krökta parafenylener, eller CPP, Abe och hans team undersökte hur CPP kan förändras om de öppna skalmolekylerna exponerades för system med molekylära banor som innehåller två elektroner i olika tillstånd, förutom kol- och väteatomerna.

Processen att introducera dessa diradikala system till CPPs resulterade i en ny typ av azoalkan, eller förening av kväve och en grupp av svagt bundna väte- och kolatomer. Denna azoalkan bildades med sex CPPs och degenererades till sex CPPs med diradikaler.

"Vi undersökte för att förstå effekterna av krökningen och systemstorleken på partikelinteraktionerna, de olika staterna och deras unika egenskaper, sa Abe.

Forskarna fann att CPPs med inbäddade diradikaler hade olika tillstånd och egenskaper, såsom den inneboende beskrivningen av en partikel känd som spin, beroende på hur många CPP som resulterade i det slutliga systemet. Snurra, en partikels rörelsemängd, kan bidra till eller hindra ett systems stabilitet utifrån hur energin är balanserad. Till exempel, i singlett tillstånd, ett system förblir stabilt även med obundna elektroner, eftersom deras snurr är motsatta. Tripletttillstånd kan förbli stabila, också, eftersom deras obundna elektroner kan snurra parallellt.

"Mångfalden i grundtillståndet beror till stor del på ringstorleken, " sa Abe, hänvisar till de potentiella orienteringar som spinn kan ta, som kan indikera stabiliteten i ett system. "Singlet grundtillstånd gynnades för mindre CPP-derivat."

De mindre singletttillstånden - diradikala CPP med mindre energiintervall mellan orbitala skal - visade också en önskad egenskap för kolnanorör:aromaticitet, eller mer stabil inriktning i ett enda plan. Eftersom kol-väte-ringarna binder med ovanliga vinklar för att bilda rören, de kan tvingas ur linje och resultera i systeminstabilitet. Ju fler ringar som läggs till i ett system, desto mer ansträngt blir systemet. För de mindre singletstatssystemen, ringarna är i linje i ett plan, vilket ger mer stabilitet.

Nästa, forskarna planerar att ytterligare undersöka denna aromaticitet i planet, med syfte att skapa största möjliga struktur med starka bindningar som fortfarande uppvisar denna stabila egenskap.