Albert Einstein konstruierte Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, indem er die Riemann-Geometrie übernahm. Zusätzlich zu ihrer Schlüsselrolle in Mathematik und Physik hat die Riemann-Geometrie Vorhersagen für die Eigenschaften gekrümmter Kohlenstoffmaterialien geliefert. Die Synthese solch komplizierter Kohlenstoffmaterialien mit Riemann-Oberflächen bleibt jedoch eine große Herausforderung.
In einer Studie veröffentlicht in Naturkommunikation, ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Du Pingwu von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, berichtete über die Synthese eines π-erweiterten Nanographen-Kohlenstoff-Nanosolenoidmaterials (CNS). Das Material bestand aus durchgehenden spiralförmigen Graphenebenen, wie es für die Riemann-Oberfläche typisch war. Das ZNS zeigte besondere Photolumineszenz und magnetische Eigenschaften.
Um das Material zu erhalten, synthetisierten die Forscher zunächst den Polyphenylen-Vorläufer (P1) durch eine Pd-vermittelte Suzuki-Kupplung und führten dann eine Scholl-Reaktion als Cyclodehydrierungsschritt durch. Sie bestätigten die Existenz von ZNS, indem sie Änderungen in der kernmagnetischen Festkörperresonanz (NMR) und dem Fourier-Transformations-Infrarot (FT-IR)-Spektrum zwischen P1 und ZNS identifizierten.
Aufgrund seiner erweiterten π-Konjugation zeigte CNS im Vergleich zu P1 eine rotverschobene Emissionsbande. Die Lebensdauern von P1 und CNS unterscheiden sich auch, gemessen durch die zeitaufgelöste Photolumineszenz (TRPL)-Technik, was auf den Einfluss einer großen π-Konjugation in CNS hinweist.
Herkömmliche TEM würde aufgrund ihrer hohen Energieabgabe strukturelle Schäden am ZNS verursachen. Daher wandten die Forscher eine niedrig dosierte integrierte differentielle Phasenkontrast-Rastertransmissionselektronenmikroskopie (iDPC-STEM) an und beobachteten eine einzelsträngige ZNS-Helix. Die beobachtete Wendelsteigung und -breite stimmten gut mit der Berechnung überein.
Die Forscher untersuchten dann die magnetischen und elektronischen Eigenschaften des ZNS. Wie durch elektronenparamagnetische Resonanz (EPR)-Spektroskopie gezeigt wurde, existierte im ZNS bei Raumtemperatur eine große Anzahl von Radikaloiden. Die Magnetometrie mit supraleitenden Quanteninterferenzgeräten (SQUID) zeigte einen Magnetisierungsspeichereffekt unter 150 K. Zusätzlich konnte eine große thermische Hysterese unter 10 K als Folge des Brechens von π-Elektronen aufgrund der Helixstruktur beobachtet werden.
Diese Arbeit führte einen einfachen synthetischen Ansatz von CNS mit Riemann-Oberflächen ein und ermöglichte die Untersuchung der neuartigen physikalischen Eigenschaften solcher Materialien.
Jinyi Wang et al, Synthese eines magnetischen π-erweiterten Kohlenstoff-Nanosolenoids mit Riemann-Oberflächen, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28870-z