Estas imágenes de un microscopio electrónico de transmisión muestran la formación de fullereno a partir del grafeno. En un), los bordes de la hoja de grafeno cambian continuamente de forma cuando se exponen al rayo electrónico. (b) muestra el producto final, mientras que (c) - (h) muestran primeros planos de la secuencia de una escama de grafeno transformándose en un fullereno. Crédito de la imagen:Andrey Chuvilin, et al.
(PhysOrg.com) - Mirando a través de un microscopio electrónico de transmisión (TEM), investigadores de Alemania, España, y el Reino Unido han observado láminas de grafeno que se transforman en fullerenos esféricos, mejor conocido como buckyballs, por primera vez. El experimento podría arrojar luz sobre el proceso de formación de los fullerenos, que hasta ahora ha permanecido misterioso a escala atómica.
“Esta es la primera vez que alguien ha observado directamente el mecanismo de formación del fullereno, "Andrei Khlobystov de la Universidad de Nottingham dijo PhysOrg.com . “Poco después del descubrimiento del fullereno (hace exactamente 25 años), Se propuso el mecanismo "de arriba hacia abajo" de ensamblaje de fullereno. Sin embargo, pronto fue rechazado en favor de una multitud de diferentes mecanismos "de abajo hacia arriba", principalmente porque la gente no podía entender cómo un copo de grafeno podía formar un fullereno y porque no tenían los medios para observar la formación del fullereno in situ ”.
Como informan los científicos en un estudio reciente publicado en Química de la naturaleza , Hay cuatro pasos principales involucrados en este proceso de formación de fullereno de arriba hacia abajo, lo que puede explicarse mediante modelos químicos cuánticos. El primer paso crítico es la pérdida de átomos de carbono en el borde de la hoja de grafeno. Debido a que los átomos de carbono en el borde del grafeno están conectados por solo dos enlaces al resto de la estructura, los investigadores podrían utilizar el haz de electrones de alta energía del microscopio (o "haz electrónico") para eliminar los átomos, uno a uno. Mientras está expuesto al rayo electrónico, los bordes de la hoja de grafeno parecen cambiar de forma continuamente.
La pérdida de átomos de carbono en el borde del grafeno es el paso más crucial del proceso. los científicos explican, ya que desestabiliza la estructura y desencadena los tres pasos siguientes. El aumento en el número de enlaces de carbono colgantes en el borde del grafeno provoca la formación de pentágonos en el borde del grafeno, que es seguido por la curvatura del grafeno en forma de cuenco. Ambos procesos son termodinámicamente favorables, ya que acercan los átomos de carbono en el borde entre sí, permitiéndoles formar vínculos entre sí.
En el cuarto y último paso, los enlaces de carbono hacen que el grafeno curvado "cierre" sus bordes abiertos y forme una bola de bucky en forma de jaula. Debido a que el proceso de cierre reduce la cantidad de enlaces colgantes, el fullereno esférico representa la configuración más estable de átomos de carbono en estas condiciones. Una vez que los bordes estén completamente sellados, no se pueden perder más átomos de carbono, y el fullereno recién creado permanece intacto bajo el rayo electrónico.
Aunque ya se pueden generar fullerenos esféricos con altos rendimientos a partir del grafito (que está hecho de muchas hojas de grafeno apiladas), hasta ahora, los científicos no han entendido completamente los mecanismos subyacentes de su formación. Al observar el proceso en tiempo real en este estudio, los investigadores han podido identificar los cambios estructurales que sufre el grafeno para volverse cada vez más redondo y formar un fullereno perfecto. Los resultados ayudan a desentrañar el misterio de la formación de fullereno al explicar, por ejemplo, cómo funciona la ablación láser como método de producción de fullereno:el rayo electrónico del microscopio, similar a un rayo láser, suministra la energía para romper los enlaces de carbono y sirve como el paso inicial crítico en el proceso de formación.
“La clave para la visualización directa de la formación de fullereno es (i) escamas de grafeno atómicamente delgadas montadas perpendicularmente al haz de electrones; (ii) TEM de alta resolución con corrección de aberración que permite obtener imágenes con resolución atómica; y (iii) análisis cuidadoso de la evolución del grafeno a fullereno, simulación de imágenes y correlación de los datos experimentales con cálculos teóricos, ”Dijo Khlobystov. "Es por eso que nuestro estudio descubre mucho más que los estudios TEM anteriores".
Además, los resultados ayudan a explicar la alta abundancia de C 60 y C 70 fullerenos (fullerenos compuestos por 60 o 70 átomos de carbono) que se encuentran en diferentes métodos de producción de fullerenos. Los investigadores encontraron que una escama de grafeno inicial grande (más de 100 átomos de carbono) impone una penalización de energía significativa durante el paso de curva. de modo que sus bordes continúen siendo astillados hasta que sea lo suficientemente pequeño como para curvarse. Por otra parte, las escamas de grafeno muy pequeñas (menos de 60 átomos) experimentan una tensión excesiva en los enlaces de carbono durante el paso de curvado, impidiendo que se cierren. Entonces, para permitir el proceso de formación impulsado termodinámicamente, Los fullerenos terminan teniendo un rango estrecho de diámetros con un promedio de aproximadamente un nanómetro, que corresponde a 60-100 átomos de carbono.
“Comprender el proceso de formación del fullereno nos enseña la conexión fundamental entre las diferentes formas de carbono, ”Dijo Khlobystov. "También, abre nuevas vías para la fabricación de nanoestructuras moleculares utilizando el haz de electrones. ¡Esta es una nueva forma de hacer química y estudiar moléculas! "
Copyright 2010 PhysOrg.com.
Reservados todos los derechos. Este material puede no ser publicado, transmisión, reescrito o redistribuido total o parcialmente sin el permiso expreso por escrito de PhysOrg.com.
