I flera år, C130 fullertuber – molekyler som består av 130 kolatomer – har bara funnits i teorin. Nu, som leder ett internationellt team av forskare, har en UdeM-doktorand i fysik framgångsrikt visat dem i verkligheten – och till och med lyckats fånga några på ett fotografi.
Upptäckten publicerades för första gången online i oktober förra året, och upptäckten gjordes av Bourret som ledande forskare i ett interuniversitetsteam som även inkluderade forskare från Purdue University, Virginia Tech och Oak Ridge National Laboratory i Tennessee.
Ett fullerrör är i grunden en sammansättning av kolatomer arrangerade för att bilda en sluten rörformig bur. Det är besläktat med fullerener, molekyler som representeras som burar av sammankopplade hexagoner och pentagoner och finns i en mängd olika storlekar och former.
Till exempel en C60 fulleren består av 60 kolatomer och är formad som en fotboll. Den är relativt liten, sfärisk och mycket riklig. C120 fullerener är mindre vanliga. De är längre och formade som ett rör med lock i vardera änden med de två halvorna av en C60 fulleren.
C130 fullertube (eller C130 -D5h , dess fullständiga vetenskapliga namn) är mer långsträckt än C120 och ännu sällsyntare. För att isolera det genererade Bourret och hans team en elektrisk båge mellan två grafitelektroder för att producera sot som innehåller fulleren och fullertubemolekyler. Den elektroniska strukturen för dessa molekyler beräknades sedan med hjälp av densitetsfunktionsteori (DFT).
"Med utgångspunkt i kvantmekanikens principer gör DFT det möjligt för oss att beräkna elektroniska strukturer och förutsäga egenskaperna hos en molekyl med hjälp av fysikens grundläggande regler", förklarade Bourrets handledare för examensarbete, UdeM fysikprofessor Michel Côté, en forskare vid universitetets Institut Courtois.
Med hjälp av speciell programvara kunde Bourret beskriva strukturen hos C130-molekylen:det är ett rör med två halvklot i ändarna, vilket gör att det ser ut som en mikroskopisk kapsel. Den mäter knappt 2 nanometer lång och 1 nm bred.
"Rörets struktur består i grunden av atomer ordnade i hexagoner," sa Bourret. "I de två ändarna är dessa hexagoner sammanlänkade av femhörningar, vilket ger dem sin rundade form."
Bourret började göra teoretiskt arbete på fullertubes 2014 under sin dåvarande handledare Jiri Patera, en UdeM matematikprofessor. Efter att Patera gick bort i januari 2022 kontaktade Bourret Côté, som blev hans nya handledare.
Två år innan dess hade Bourret läst en artikel av Purdue University vid Fort Wayne-professorn Steven Stevenson, som beskrev den experimentella isoleringen av vissa fullertuber, som visade deras existens men inte identifierade alla.
Under Côtés vägledning började Bourret arbeta med att föra fram kunskapen om ämnet.
"Emmanuel hade en stark bakgrund inom abstrakt matematik," mindes Bourret, "och han lade till en intressant dimension till min forskargrupp, som fokuserar på mer beräkningsmetoder."
"Det är svårt att säga i det här skedet, men en möjlighet kan vara produktion av väte", säger Côté. "För närvarande är det som används en katalysator gjord av platina och rubidium, som båda är sällsynta och dyra. Ersätter dem med kolstrukturer som C130 skulle göra det möjligt att producera väte på ett "grönare" sätt."
Resultaten publiceras i Journal of the American Chemical Society .
Mer information: Emmanuel Bourret et al, Colossal C130 Fullertubes:Löslig [5,5] C130 -D5h (1) Orörda molekyler med 70 nanorörskol och två 30-atoms hemifulleren-ändhylsor, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI:10.1021/jacs.3c09082
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av University of Montreal
