Affinità elettronica scatenata: le sorprendenti capacità chimiche dei frammenti piatti di fullerene

May 16, 2023

Di Kyoto University, 22 giugno 2023

Anche senza la simmetria e la curvatura dei fullereni, i frammenti piatti di fullereni progettati che mantenevano la sottostruttura pentagonale mostravano le stesse proprietà di accettazione degli elettroni dei fullereni. Credito: YAP Co., Ltd

Frammenti di molecole sferiche "Buckyball" hanno una capacità stabile di accettare gli elettroni con un grande potenziale pratico.

Researchers at Kyoto University in Japan have gained new insights into the unique chemical properties of spherical molecules composed entirely of carbon atoms, called fullerenes. They did it by making flat fragments of the molecules, which surprisingly retained and even enhanced some key chemical properties. The team published their findings in the journal Nature Communications<em>Nature Communications</em> is a peer-reviewed, open-access, multidisciplinary, scientific journal published by Nature Portfolio. It covers the natural sciences, including physics, biology, chemistry, medicine, and earth sciences. It began publishing in 2010 and has editorial offices in London, Berlin, New York City, and Shanghai. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Comunicazioni sulla natura.

“Our work could lead to new opportunities in a wide range of applications, such as semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">semiconduttori, dispositivi di conversione fotoelettrica, batterie e catalizzatori”, afferma il leader del gruppo Aiko Fukazawa presso l’Istituto per le scienze dei materiali cellulari integrati (iCeMS).

Buckminsterfullerene (o semplicemente 'buckyball') è una molecola in cui 60 atomi di carbonio sono legati per formare una forma sferica. Prende il nome dalle somiglianze strutturali con le cupole geodetiche progettate dal celebre architetto Buckminster Fuller e la sua struttura unica ha continuamente attirato l'interesse degli scienziati. Il buckminsterfullerene e i relativi cluster sferici di carbonio con un numero diverso di atomi di carbonio sono conosciuti colloquialmente come fullereni, dal cognome di Fuller. Una delle loro caratteristiche più intriganti è la capacità di accettare elettroni, un processo noto come riduzione. A causa del loro carattere di accettazione degli elettroni, i fullereni e i loro derivati ​​sono stati ampiamente studiati come materiali di trasporto degli elettroni nei transistor organici a film sottile e nel fotovoltaico organico. Tuttavia, i fullereni sono una classe di materiali anomala rispetto a qualsiasi altro accettore di elettroni organico convenzionale, a causa della loro robustezza nell'accettare più elettroni.

I chimici teorici hanno proposto tre possibili fattori che potrebbero essere alla base della capacità del fullerene di accettare gli elettroni: l'elevata simmetria dell'intera molecola, i suoi atomi di carbonio con legami disposti piramidalmente e la presenza di sottostrutture pentagonali distribuite tra anelli a sei membri.

Il team di Kyoto si è concentrato sull'influenza degli anelli pentagonali. Hanno progettato e sintetizzato frammenti appiattiti di fullerene e hanno confermato sperimentalmente che queste molecole potevano accettare fino a un numero di elettroni pari al numero di anelli a cinque membri nella loro struttura senza decomposizione.

“Questa sorprendente scoperta evidenzia il significato cruciale della sottostruttura pentagonale per la generazione di sistemi stabili di accettazione multielettrone”, afferma Fukazawa.