Queste immagini di un microscopio elettronico a trasmissione mostrano la formazione di fullerene dal grafene. In un), i bordi del foglio di grafene cambiano continuamente forma quando sono esposti al raggio elettronico. (b) mostra il prodotto finale, mentre (c)-(h) mostrano primi piani della sequenza di un fiocco di grafene che si trasforma in un fullerene. Credito immagine:Andrey Chuvilin, et al.
(PhysOrg.com) -- Scrutare attraverso un microscopio elettronico a trasmissione (TEM), ricercatori dalla Germania, Spagna, e il Regno Unito hanno osservato fogli di grafene trasformarsi in fullereni sferici, meglio conosciuti come buckyballs, per la prima volta. L'esperimento potrebbe far luce sul processo di formazione dei fullereni, che è rimasto finora misterioso su scala atomica.
“Questa è la prima volta che qualcuno ha osservato direttamente il meccanismo di formazione del fullerene, ” ha detto Andrei Khlobystov dell'Università di Nottingham PhysOrg.com . “Poco dopo la scoperta del fullerene (esattamente 25 anni fa), è stato proposto il meccanismo "top down" dell'assemblaggio del fullerene. Però, fu presto respinta a favore di una moltitudine di diversi meccanismi "bottom up", principalmente perché le persone non riuscivano a capire come un fiocco di grafene potesse formare un fullerene e perché non avevano i mezzi per osservare la formazione del fullerene in situ.
Come riportano gli scienziati in un recente studio pubblicato su Chimica della natura , ci sono quattro fasi principali coinvolte in questo processo di formazione del fullerene dall'alto verso il basso, che può essere spiegato dalla modellazione chimica quantistica. Il primo passo critico è la perdita di atomi di carbonio sul bordo del foglio di grafene. Poiché gli atomi di carbonio ai margini del grafene sono collegati solo da due legami al resto della struttura, i ricercatori potrebbero usare il raggio di elettroni ad alta energia del microscopio (o "e-beam") per scheggiare via gli atomi, uno per uno. Mentre esposto al raggio elettronico, i bordi del foglio di grafene sembrano cambiare continuamente forma.
La perdita di atomi di carbonio sul bordo del grafene è la fase più cruciale del processo, spiegano gli scienziati poiché destabilizza la struttura e innesca i successivi tre passaggi. L'aumento del numero di legami di carbonio penzolanti sul bordo del grafene provoca la formazione di pentagoni sul bordo del grafene, che è seguito dalla curvatura del grafene in una forma simile a una ciotola. Entrambi questi processi sono termodinamicamente favorevoli, poiché portano gli atomi di carbonio sul bordo più vicini l'uno all'altro, permettendo loro di formare legami tra loro.
Nella quarta e ultima fase, i legami di carbonio fanno sì che il grafene curvo "chiuda" i suoi bordi aperti e formi un buckyball simile a una gabbia. Poiché il processo di chiusura lampo riduce il numero di legami penzolanti, il fullerene sferico rappresenta la configurazione più stabile degli atomi di carbonio in queste condizioni. Una volta che i bordi sono completamente sigillati, non si possono perdere ulteriori atomi di carbonio, e il fullerene appena creato rimane intatto sotto l'e-beam.
Sebbene i fullereni sferici possano già essere generati con rese elevate dalla grafite (che è composta da molti fogli di grafene impilati insieme), fino ad ora gli scienziati non hanno compreso appieno i meccanismi alla base della loro formazione. Osservando il processo in tempo reale in questo studio, i ricercatori hanno potuto identificare le modifiche strutturali che subisce il grafene per diventare sempre più rotondo e formare un fullerene perfetto. I risultati aiutano a svelare il mistero della formazione del fullerene spiegando, ad esempio, come funziona l'ablazione laser come metodo di produzione del fullerene:il raggio elettronico del microscopio, simile a un raggio laser, fornisce l'energia per rompere i legami di carbonio e funge da fase iniziale critica nel processo di formazione.
“La chiave per la visualizzazione diretta della formazione del fullerene è (i) scaglie di grafene atomicamente sottili montate perpendicolarmente al fascio di elettroni; (ii) TEM ad alta risoluzione con correzione dell'aberrazione che consente l'imaging con risoluzione atomica; e (iii) un'attenta analisi dell'evoluzione del grafene in fullerene, simulazione dell'immagine e correlazione dei dati sperimentali con calcoli teorici, ” ha detto Khlobystov. "Questo è il motivo per cui il nostro studio scopre molto di più dei precedenti studi TEM".
Inoltre, i risultati aiutano a spiegare l'elevata abbondanza di C 60 e C 70 fullereni (fullereni composti da 60 o 70 atomi di carbonio) presenti in diversi metodi di produzione di fullereni. I ricercatori hanno scoperto che un grande fiocco iniziale di grafene (più di 100 atomi di carbonio) impone una significativa penalità energetica durante la fase di curvatura, in modo che i suoi bordi continuino a essere scheggiati finché non è abbastanza piccolo da curvarsi. D'altra parte, i fiocchi di grafene molto piccoli (meno di 60 atomi) subiscono una sollecitazione eccessiva sui legami di carbonio durante la fase di curvatura, impedendo loro di chiudersi. Quindi, per consentire il processo di formazione guidato termodinamicamente, i fullereni finiscono per avere una gamma ristretta di diametri in media di circa un nanometro, che corrisponde a 60-100 atomi di carbonio.
“Comprendere il processo di formazione del fullerene ci insegna la connessione fondamentale tra le diverse forme di carbonio, ” ha detto Khlobystov. "Anche, apre nuove strade per la fabbricazione di nanostrutture molecolari utilizzando l'e-beam. Questo è un nuovo modo di fare chimica e di studiare le molecole!”
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