Teadlased vaatlesid esimest korda reaalajas grafeeni muutumist C60-fullereeniks

Läbistuselektronmikroskoopiat kasutades olid Hispaania, Saksamaa ning Suurbritannia teadlased esmatunnistajateks grafeenlehtede muundumisele sfäärilisteks fullereenideks, inglise keeles tuntud kui ka ‘buckyballs,’ Buckminster fullerenes, eesti keeles ka C-60 fullereenina. Usutavasti annab eksperiment ka uut informatsiooni C-60 fullereenide tekkeprotsessi kohta, mis on aatomskaalas siiani saladuseks.

,,See on esimene kord kui keegi on otseselt fullereeni tekkimist jälginud,” sõnas Andrei Khlobystov Nottinghami Ülikoolist. ,,Varsti pärast fullereeni avastamist 25 aasta eest pakuti tekkemehanismina välja nö. ‘ülevalt alla’ variant. See lükati aga varsti kõrvale, sest pooldati mitmeid erinevaid ‘alt-üles’ mehhanisme, eelkõige seetõttu, et ei mõistetud, kuidas saab grafeenlehest moodustuda fullereen. Samuti polnud võimalik fullereeni tekkimist otseselt jälgida,” kirjutab physorg.com.

Ajakirjas Nature Chemistry ilmunud artiklis selgitavad teadlased, et fullereeni moodustumise ‘ülevalt-alla’ tekkeprotsessil on neli sammu, mida kvantkeemilise modelleerimise abil ka seletada saab. Esimeseks oluliseks sammuks on süsinikuaatomite kaotamine grafeenlehe äärtelt. Kuna aatomid grafeenlehe äärtel on muu struktuuriga ühendatud vaid kahe keemilise sideme abil, said teadlased aatomite ükshaaval eemaldamiseks kasutada mikroskoobi kõrge energiaga elektronkiirt. Elektronkiire all paistab nagu muudaks grafeenleht pidevalt oma kuju. Aatomite kaotamine grafeenlehe äärtest on protsessi kõige tähtsam samm, sest see lükkab struktuuri tasakaalust välja ning põhjustab seega kõiki kolme järgnevat sammu.

Grafeenlehe äärtes olevad vabade keemiliste sidemete otsade tõttu tekivad grafeeni äärtes viisnurgad, misjärel paindub grafeen kausikujuliseks. Need protsessid on mõlemad termodünaamiliselt kasulikud, sest nad viivad äärtes asuvad süsiniku aatomid üksteisele lähemale, tehes võimalikuks nende keemilise sidustumise.

Neljanda ja viimase sammuna sidustuvad süsiniku aatomid paindunud grafeenis tõmbluku sarnaselt, sulgedes sellega kõik ääred, mille tulemusena tekibki puurisarnane sfääriline fullereen. ‘Lukustumisprotsess’ vähendab vabade keemiliste sidemete arvu ning seega on sfääriline fullereen sellistes tingimustes süsiniku jaoks kõige stabiilsem ülesehitusega. Kui kõik lahtised ääred on täielikult sulgunud, ei saa ühend enam ühtki aatomit kaotada, ning elektronkiir ei avalda fullereenile mingit mõju.

Kuigi sfäärilisi fullereene on grafiidist juba praegu võimalik suures koguses valmistada, pole teadlased siiani nende tekkemehhanismi täielikult mõistnud. Antud uurimuses suutsid teadlased tänu reaalajas vaatlustele teha kindlaks kõik struktuursed muutused, mis grafeen sfäärilise fullereeni moodustamiseks läbima pidi. Tulemused aitavad lahendada fullereeni molekulide tekke saladuse, seletades näiteks, miks saab fullereeni valmistada laseraurutamise abil.

,,Fullereeni tekke otsese vaatamiseks peavad grafeenlehekesed olema asetatud elektronkiirega risti. Vaja on moonutusi korrigeerivat läbistuselektronmikroskoopi, hoolikat analüüsi, kujutise simulatsiooni ning eksperimentaaltulemuste kooskõlalisust teoreetiliste arvutustega,” lausus Khlobystov. ,,Just nendel asjade olemasolu tõttu on meie uurimus eelnevatest palju edukam.”

Lisaks seletavad tulemused erinevatel tootmismeetoditel saadud C-60 ja C-70 fullereenide (koosnevad vastavalt 60-st ja 70-st süsiniku aatomist) rohkust. Teadlased leidsid, et algselt rohkem kui sajast süsiniku aatomist koosnevatele grafeenlehekestele mõjuvad tugevad jõud ning seega kaotatakse äärtest aatomeid, kuni struktuur on kaardumiseks piisavalt väike. Samas aga väga väikestes (vähem kui 60-st aatomist koosnevad) grafeenlehekestes mõjuvad süsiniksidemetele kaardumise ajal lisapinged, mis ‘lukustumist’ takistavad. Järelikult, selleks, et võimaldada termodünaamilise protsessi käiku, on tekkivad fullereenid vaid kindlate diameetritega, keskmiselt üks nanomeeter, mis vastab 60-100 süsiniku aatomile.

,,Fullereeni tekkemehanismi mõistmine õpetab meile erinevate süsinikstruktuuride fundamentaalseid seoseid. Samuti avab see uksi molekulaarsete nanostruktuuride uutele valmistamismeetoditele elektronkiirte avil. See on keemias ning molekulide uurimises uus meetod,” lõpetas Khlobystov.

Allikas

Teadusartikkel “Direct transformation of graphene to fullerene”