Новости химической науки > «Фильм» про рождение фуллеренов

Атомная микроскопия в режиме реального времени позволила обнаружить, что круглые каркасные структуры фуллеренов образуются непосредственно из листочков, состоящих из большого количества атомов углерода.

Построенная в результате наблюдений модель образования фуллеренов противоречит ранее предложенным моделям образования фуллеренов, в рамках которых говорилось об образовании бакиболов из отдельных углеродных атомов.

Листок графена искривляется, образует чашеподобную структуру, которая впоследствии формирует сферическое каркасное соединение. (Рисунок из Nature Chem., 2010, DOI: 10.1038/nchem.644)

Фуллерены являются загадкой для исследователей с момента своего открытия около четверти века назад, основной вопрос заключается в следующем: как может плоский монослой атомов углерода, расположенных в вершинах шестиугольников (графен), превратиться в сферическое каркасное соединение, в котором чередуются пяти- и шестиугольники с атомами углерода в вершинах? Ранее предполагалось, что связи между атомами углерода графенового листа должны разрушаться, после чего в образовании фуллерена участвуют одиночные атомы углерода или их пары.

Исследовательская группа под руководством Андрея Хлобыстова (Andrei Khlobystov), работающего в Университете Ноттингема разработали метод, позволяющий следить за процессом образования фуллеренов. Для решения это задачи исследователи применили просвечивающую электронную микроскопию низкого напряжения [low-voltage transmission electron microscopy (TEM)], методологию, разработанную одним из участников исследования – Андреем Чувилиным (Andrey Chuvilin). Хлобыстов отмечает, что новую методологию можно рассматривать как сбывшуюся мечту химиков – с помощью электронной микроскопии низкого напряжения можно следить за протеканием химических реакций в режиме реального времени.

Комбинация наблюдений с квантово-химическими расчетами (квантово-химические расчеты проводили для того, чтобы подтвердить термодинамическую благоприятность протекающих процессов) позволила исследователям предложить новый механизм образования фуллеренов. Хлобыстов предполагает, что предложенный механизм проще, чем предложенные ранее. Предположение основывается на факте, что находящийся в состоянии sp² гибридизации атом графена стремится образовать три σ-химические связи. Таким образом при удалении атома с края листка графена два оставшихся атома, образующие менее трех σ-связей взаимодействуют друг с другом, формируя пятиугольник, лист графена при этом искривляется. Увеличение количества атомов, отрывающихся от графенового листка под действием электронного пучка, приводит к увеличению степени искривления и образованию чашеобразной системы, которая впоследствии замыкается в молекулу бакибола.

Как поясняет Хлобыстов, критической величиной для образования бакибола является число атомов углерода в графеновом листочке. Оптимальное число атомов углерода – от 60 до 100, листок, состоящий из меньшего количества атомов углерода, просто не может изогнуться из-за стерического напряжения, кривизна листка, содержащего большее количество атомов углерода просто недостаточна для образования каркасной структуры.

Специалист по наноструктурам на основе углерода из Университета Райса Борис Якобсон (Boris Yakobson) отмечает, что исследователи из группы Хлобыстова зафиксировали процесс образования фуллерена из листа графена и предложили логическое объяснение протеканию этого процесса. Однако, Якобсон сомневается, что аналогичный механизм реализуется при «настоящем» образовании фуллеренов.

Тем не менее. Хлобыстов уверен, что уместно провести определенные аналогии. Несмотря на то, что условия в камере просвечивающего электронного микроскопа нельзя назвать обычными, можно представить, что пучок электронов, воздействующий на образец, играет роль высокой температуры, как и она удаляя атомы углерода с краев двумерного кристалла углерода.

Источник: Nature Chem., 2010, DOI: 10.1038/nchem.644

метки статьи: #аналитическая химия, #квантовая химия, #нанотехнологии, #физическая химия, #химия поверхности