Russische Wissenschaftler haben ein neues ultrahartes Material synthetisiert, das aus kohlenstoffhaltigem Scandium besteht. Es besteht aus polymerisierten Fullerenmolekülen mit Scandium- und Kohlenstoffatomen im Inneren. Die Arbeit ebnet den Weg für zukünftige Studien zu ultraharten Materialien auf Fullerenbasis und macht sie zu einem potenziellen Kandidaten für photovoltaische und optische Geräte, Elemente der Nanoelektronik und Optoelektronik und biomedizinische Technik als Hochleistungskontrastmittel. Die Studie wurde veröffentlicht in Kohlenstoff.
Die Entdeckung neuer, ausschließlich aus Kohlenstoff bestehender Moleküle, bekannt als Fullerene, vor fast 40 Jahren war ein revolutionärer Durchbruch, der den Weg für die Fulleren-Nanotechnologie ebnete. Fullerene haben eine kugelförmige Form aus Fünf- und Sechsecken, die einem Fußball ähneln, und ein Hohlraum im Kohlenstoffgerüst von Fullerenmolekülen kann eine Vielzahl von Atomen aufnehmen.
Die Einführung von Metallatomen in Kohlenstoffkäfige führt zur Bildung endohedraler Metallofullerene (EMF), die aufgrund ihrer einzigartigen Strukturen und optoelektronischen Eigenschaften technologisch und wissenschaftlich wichtig sind.
Ein Forscherteam des NUST MISIS, des Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials und des Kirensky Institute of Physics hat zum ersten Mal scandiumhaltige EMFs erhalten und den Prozess ihrer Polymerisation untersucht. Polymerisation ist der Vorgang, bei dem ungebundene Moleküle miteinander verbunden werden, um ein chemisch gebundenes polymerisiertes Material zu bilden. Die meisten Polymerisationsreaktionen laufen unter hohem Druck schneller ab.
Nachdem die scandiumhaltigen Fullerene aus Kohlenstoffkondensat unter Verwendung eines Hochfrequenz-Bogenentladungsplasmas gewonnen wurden, wurden sie in eine Diamantstempelzelle eingebracht, die vielseitigste und beliebteste Vorrichtung zur Erzeugung sehr hoher Drücke.
„Wir haben festgestellt, dass Gastatome den Polymerisationsprozess erleichtern. Scandiumatome verändern den Bindungsprozess der Fullerene vollständig, indem sie die Kohlenstoffbindungen polarisieren, was zu einer Erhöhung ihrer chemischen Aktivität führt. Das erhaltene Material sei weniger starr als ursprünglich polymerisierte Fullerene, heißt es einfacher zu beschaffen war“, sagte Pavel Sorokin, Senior Researcher am NUST MISIS Laboratory of Inorganic Nanomaterials.
Die Studie wird den Weg für Untersuchungen von Fullerit-Endohedralkomplexen als makroskopisches Material ebnen und es ermöglichen, EMF nicht nur als Nanostruktur von grundlegendem Interesse zu betrachten, sondern auch als vielversprechendes Material, das in verschiedenen Bereichen von Wissenschaft und Technologie nachgefragt werden könnte die Zukunft, glauben die Forscher.
SV Erohin et al, Insights into fullerene polymerisation under the high pressure: The role of endohedral Sc dimer, Kohlenstoff (2021). DOI: 10.1016/j.carbon.2021.12.040