Los científicos de la Universidad Nacional de Investigación Nuclear MEPhI (Rusia) han explicado la estabilidad de los fullerenos dopados con nitrógeno, lo que facilita su producción y aplicación industrial. El artículo fue publicado en Physica E:nanoestructuras y sistemas de baja dimensión .

El carbono es uno de los elementos químicos más comunes en la Tierra. Es parte de todos los compuestos orgánicos e inorgánicos. Antes de finales del siglo XX, sólo dos de sus formas alotrópicas, diamante y grafito, eran conocidos. Hasta la fecha, Los científicos han descubierto muchas otras formas que ya se utilizan en electrónica, farmacología y energía.

Una de las más prometedoras entre estas formas son los fullerenos, esferas huecas que contienen de 20 a varios cientos de átomos de carbono. Su descubrimiento ganó el Premio Nobel de Química en 1996. Se descubrió que cada fullereno puede actuar como un dispositivo nanoelectrónico completo, como un diodo o un transistor. Gracias a sus reducidas dimensiones, Los dispositivos de fullereno son muy eficientes y extremadamente rápidos.

Los fullerenos químicamente modificados son la siguiente etapa en el desarrollo de la tecnología del fullereno. Sustituyendo el dopaje, que incluye la sustitución de uno o varios átomos de carbono con átomos de un elemento diferente, es un método de modificación común. La estructura general de Fullerene sigue siendo la misma, pero su composición electrónica y actividad química cambian. Por lo tanto, la sustitución del dopaje aumenta la variabilidad de las características de los fullerenos y, por lo tanto, amplía el alcance de su aplicación.

Los elementos más cercanos al carbono en la tabla periódica, boro o nitrógeno, se suelen utilizar como sustitutos. Tienen una masa atómica y un tamaño cercano al del carbono. Los fullerenos dopados con boro y nitrógeno son buenos adsorbentes de sustancias médicas y agentes nerviosos. También adsorben con éxito los aditivos.

Sin embargo, Los científicos descubrieron que los fullerenos sintetizados dopados con nitrógeno tienen una alta proporción de isómeros defectuosos que difieren de los demás en estructura y características. Las altas temperaturas requeridas para la síntesis provocaron el llamado defecto Stone-Wales que desestabilizó las jaulas de fullereno. Es importante señalar que los fullerenos dopados con boro eran resistentes al calor.

Los profesores Konstantin Katin y Mikhail Maslov buscaron explicar esta característica. Para su investigación, eligieron el fullereno más pequeño, que consta de solo 20 átomos. Debido a su pequeño tamaño, es menos estable que otros fullerenos. Por lo tanto, las causas de los defectos deberían ser más evidentes.

La interacción de los átomos de fullereno y la distribución de electrones dentro de su jaula se describieron utilizando modelos matemáticos especiales basados ​​en las leyes de la mecánica cuántica. Los físicos utilizaron tanto paquetes de software especializados como sus propios programas originales. La tarea más complicada fue establecer la geometría del punto de silla, la configuración de un fullereno cuando la excitación térmica normal se vuelve irreversible y por supuesto conduce al defecto.

Los resultados de MEPhI proporcionaron una explicación completa de la estabilidad de los fullerenos dopados. Basado en ecuaciones de mecánica cuántica, los investigadores demostraron que, a diferencia del boro, incluso un átomo de nitrógeno puede desestabilizar una jaula de fullereno debido a que el átomo de nitrógeno tiene un electrón adicional.

"Descubrimos que se necesitan 4.93 eV para destruir el fullereno С20 original, mientras que solo se necesitan 2.98 eV para destruir un fullereno dopado con C19N. Los grupos con más nitrógeno son aún menos estables. Según estos datos, podemos concluir que los fullerenos dopados con nitrógeno son muy susceptibles a la temperatura. Bajar la temperatura en un reactor en solo ~ 20 ° C reducirá significativamente la proporción de fullerenos defectuosos, "Konstantin Katin explicó.

La publicación provocó un gran interés internacional entre los científicos que investigan la producción y aplicación de fullerenos dopados. En los próximos años, Se puede desarrollar una tecnología para sintetizar fullerenos dopados con nitrógeno a temperaturas más bajas. La tecnología podría resolver el problema de los isómeros defectuosos y garantizar la reproducción de las características del cúmulo resultante.