(PhysOrg.com) -- Peering genom ett transmissionselektronmikroskop (TEM), forskare från Tyskland, Spanien, och Storbritannien har observerat grafenark förvandlas till sfäriska fullerener, mer känd som buckyballs, för första gången. Experimentet skulle kunna belysa processen för hur fullerener bildas, som hittills har förblivit mystiskt på atomär skala.

”Det här är första gången som någon direkt har observerat mekanismen för fullerenbildning, ” berättade Andrei Khlobystov från University of Nottingham PhysOrg.com . "Kort efter upptäckten av fulleren (för exakt 25 år sedan), "top-down"-mekanismen för fullerenmontering föreslogs. Dock, det avvisades snart till förmån för en mängd olika "bottom-up"-mekanismer, främst för att människor inte kunde förstå hur en fling av grafen kan bilda en fulleren och för att de inte hade medel för att observera fullerenbildningen in situ. ”

Som forskarna rapporterar i en ny studie publicerad i Naturkemi , det finns fyra huvudsteg involverade i denna uppifrån-och-ned-fullerenbildningsprocess, vilket kan förklaras med kvantkemisk modellering. Det kritiska första steget är förlusten av kolatomer vid kanten av grafenarket. Eftersom kolatomerna vid kanten av grafen är anslutna med endast två bindningar till resten av strukturen, forskarna kunde använda mikroskopets högenergielektronstråle (eller "e-stråle") för att flisa bort atomerna, en och en. När den utsätts för e-strålen, kanterna på grafenarket verkar kontinuerligt ändra form.

Förlusten av kolatomer på kanten av grafen är det mest avgörande steget i processen, forskarna förklarar, eftersom det destabiliserar strukturen och utlöser de efterföljande tre stegen. Ökningen av antalet hängande kolbindningar vid kanten av grafenet orsakar bildandet av femhörningar på grafenkanten, vilket följs av kurvan av grafenet till en skålliknande form. Båda dessa processer är termodynamiskt gynnsamma, eftersom de ger kolatomer på kanten närmare varandra, låta dem bilda band med varandra.

I det fjärde och sista steget, kolbindningarna gör att den krökta grafenen "blixtar upp" sina öppna kanter och bildar en burliknande buckyball. Eftersom blixtlåsningsprocessen minskar antalet dinglande bindningar, den sfäriska fulleren representerar den mest stabila konfigurationen av kolatomer under dessa förhållanden. När kanterna är helt förseglade, inga ytterligare kolatomer kan förloras, och den nyskapade fullerenen förblir intakt under e-strålen.

Även om sfäriska fullerener redan kan genereras i hög avkastning från grafit (som är gjord av många grafenark staplade tillsammans), hittills har forskare inte helt förstått de bakomliggande mekanismerna för deras bildande. Genom att observera processen i realtid i denna studie, forskarna har kunnat identifiera de strukturella förändringar som grafenet genomgår för att bli allt mer rund och bilda en perfekt fulleren. Resultaten hjälper till att reda ut mysteriet med fullerenbildning genom att förklara, till exempel, hur laserablation fungerar som en fullerenproduktionsmetod:mikroskopets e-stråle, liknar en laserstråle, tillför energin för att bryta kolbindningarna och fungera som det kritiska första steget i bildningsprocessen.

"Nyckeln till direkt visualisering av fullerenbildning är (i) atomärt tunna grafenflingor monterade vinkelrätt mot elektronstrålen; (ii) aberrationskorrigerad högupplöst TEM som tillåter avbildning med atomupplösning; och (iii) noggrann analys av utvecklingen av grafen till fulleren, bildsimulering och korrelation av experimentdata med teoretiska beräkningar, " sa Khlobystov. "Det är därför vår studie upptäcker så mycket mer än tidigare TEM-studier."

Dessutom, resultaten hjälper till att förklara den höga förekomsten av C ₆₀ och C ₇₀ fullerener (fullerener sammansatta av 60 eller 70 kolatomer) som finns i olika metoder för fullerenproduktion. Forskarna fann att en stor (mer än 100 kolatomer) initial grafenflinga innebär en betydande energistraff under krökningssteget, så att dess kanter fortsätter att flisas bort tills den är tillräckligt liten för att kröka. Å andra sidan, mycket små (mindre än 60 atomer) grafenflingor upplever överdriven belastning på kolbindningarna under krökningssteget, hindrar dem från att stänga. Så för att möjliggöra den termodynamiskt drivna bildningsprocessen, fullerener har i slutändan ett smalt område av diametrar på i genomsnitt cirka en nanometer, vilket motsvarar 60-100 kolatomer.

"Att förstå fullerenbildningsprocessen lär oss om det grundläggande sambandet mellan olika former av kol, " sa Khlobystov. "Också, det öppnar nya vägar för tillverkning av molekylära nanostrukturer med hjälp av e-strålen. Det här är ett nytt sätt att göra kemi och att studera molekyler!”

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.