МОСКВА, 8 дек — РИА Новости. Специалисты Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" объяснили механизм устойчивости допированных фуллеренов, тем самым упростив их промышленное производство и применение (например, в качестве наноэлементов для электроники). Статья об этом исследовании опубликована в авторитетном научном журнале "Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures".
Углерод – один из самых распространенных на земле химических элементов, входящий в состав всех органических и многих неорганических соединений. До конца XX века было известно только две его аллотропные формы – алмаз и графит. К сегодняшнему дню ученые открыли множество новых форм, которые уже используют в электронике, фармакологии, энергетике.
Следующим этапом развития фуллереновых технологий стало использование химически модифицированных фуллеренов. Распространенным способом модификации является замещающее допирование – замена одного или нескольких атомов углерода атомами другого элемента. При этом общая структура фуллерена сохраняется, но его электронное строение и химическая активность меняются. Таким образом, замещающее допирование увеличивает вариативность свойств фуллеренов и, следовательно, расширяет возможности их использования.
В качестве замещающих элементов обычно используют ближайшие соседи углерода в таблице Менделеева: бор или азот, чьи атомы близки к атомам углерода по массе и размерам. Кроме того, допированные этими элементами фуллерены выступают хорошими адсорбентами лекарственных средств и нервнопаралитических газов, эффективно поглощая примеси.
Однако, бурный всплеск интереса к их промышленному синтезу позволил обнаружить и то, что производство допированных азотом фуллеренов имеет высокий процент "брака" – дефектных изомеров, отличающихся от остальных по структуре и свойствам. Под действием высоких температур, необходимых для синтеза, в них возникали так называемые "дефекты Стоуна-Уэльса", приводящие к дестабилизации фуллеренового каркаса. И, что важно – такой проблемы не возникало с фуллеренами, допированными бором: те оказывались устойчивыми к высоким температурам.
Взаимодействие атомов фуллерена и распределение электронов внутри его объема описывались в рамках специальных математических моделей, основанных на законах квантовой механики. Для расчетов ученые использовали как специализированные программные пакеты, так и уникальные программы самих авторов. Главная трудность состояла в том, чтобы установить геометрию "седловой точки": конфигурации фуллерена, при прохождении которой обычное термическое возбуждение становится необратимым – и обязательно приводит к возникновению дефекта.
Полученные в НИЯУ МИФИ результаты позволили полностью объяснить механизм устойчивости допированных фуллеренов. На основании квантово-механических уравнений авторы доказали, что, в отличие от бора, даже единственный атом азота дестабилизирует скелет фуллерена. Это связано с наличием у атома азота одного дополнительного, по сравнению с углеродом, электрона.
"Оказалось, что для разрушения исходного фуллерена С20 нужно затратить 4.93 эВ энергии, а для разрушения допированного фуллерена C19N – только 2.98 эВ. Кластеры с более высоким содержанием азота еще менее устойчивы. Полученные данные позволили сделать вывод о том, что допированные азотом фуллерены очень чувствительны к температурному режиму: понижение температуры в реакторе всего на ~20°C приведет к существенному уменьшению доли дефектных фуллеренов", – объясняет Константин Катин.
После выхода публикации работой активно заинтересовались исследователи из разных стран, занимающиеся проблемами производства и использования допированных фуллеренов. В ближайшие годы может быть создана технология синтеза допированных азотом фуллеренов при пониженных температурах. Она позволит решить проблему дефектных изомеров и обеспечит воспроизводимость свойств получающихся кластеров.
