Scienziati della National Research Nuclear University MEPhI (Russia) hanno spiegato la stabilità dei fullereni drogati con azoto, che ne facilita la produzione industriale e l'applicazione. L'articolo è stato pubblicato su Physica E:Sistemi a bassa dimensionalità e nanostrutture .

Il carbonio è uno degli elementi chimici più comuni sulla Terra. Fa parte di tutti i composti organici e molti inorganici. Prima della fine del XX secolo, solo due delle sue forme allotropiche, diamante e grafite, erano conosciuti. Ad oggi, gli scienziati hanno scoperto molte altre forme che sono già utilizzate in elettronica, farmacologia ed energia.

Una delle più promettenti tra queste forme sono i fullereni, sfere cave che contengono da 20 a diverse centinaia di atomi di carbonio. La loro scoperta ha vinto il Premio Nobel per la Chimica nel 1996. Si è scoperto che ogni fullerene può agire come un dispositivo nanoelettronico completo, come un diodo o un transistor. Grazie alle loro piccole dimensioni, i dispositivi fullerene sono molto efficienti ed estremamente veloci.

I fullereni chimicamente modificati sono la fase successiva nello sviluppo della tecnologia dei fullereni. Sostituendo il doping, che include la sostituzione di uno o più atomi di carbonio con atomi di un elemento diverso, è un metodo di modifica comune. La struttura complessiva di Fullerene rimane la stessa, ma la sua composizione elettronica e l'attività chimica cambiano. Perciò, la sostituzione del doping aumenta la variabilità delle caratteristiche dei fullereni e quindi amplia l'ambito della loro applicazione.

Gli elementi più vicini al carbonio nella tavola periodica, boro o azoto, sono generalmente usati come sostituti. Hanno una massa atomica e una dimensione vicina a quella del carbonio. I fullereni drogati con boro e azoto sono buoni adsorbenti di sostanze mediche e agenti nervini. Assorbono anche con successo gli additivi.

Però, gli scienziati hanno scoperto che i fullereni drogati con azoto sintetizzati hanno una quota elevata di isomeri difettosi che differiscono dagli altri per struttura e caratteristiche. Le alte temperature richieste per la sintesi hanno causato il cosiddetto difetto di Stone-Wales che ha destabilizzato le gabbie di fullereni. È importante notare che i fullereni drogati con boro erano resistenti al calore.

I professori Konstantin Katin e Mikhail Maslov hanno cercato di spiegare questa caratteristica. Per la loro ricerca, hanno scelto il fullerene più piccolo, composto da soli 20 atomi. A causa delle sue piccole dimensioni, è meno stabile di altri fullereni. Perciò, le cause dei difetti dovrebbero essere più evidenti.

L'interazione degli atomi di fullerene e la distribuzione degli elettroni all'interno della sua gabbia sono state descritte utilizzando speciali modelli matematici basati sulle leggi della meccanica quantistica. I fisici hanno utilizzato sia pacchetti software specializzati che i propri programmi originali. Il compito più complicato era stabilire la geometria del punto di sella, una configurazione di fullerene quando la normale eccitazione termica diventa irreversibile e porta con ogni mezzo al difetto.

I risultati di MEPhI hanno fornito una spiegazione completa della stabilità dei fullereni drogati. Basato su equazioni della meccanica quantistica, i ricercatori hanno dimostrato che, a differenza del boro, anche un atomo di azoto può destabilizzare una gabbia di fullerene a causa dell'atomo di azoto che ha un elettrone in più.

"Abbiamo scoperto che occorrono 4,93 eV per distruggere il fullerene С20 originale mentre occorrono solo 2,98 eV per distruggere un fullerene drogato con C19N. I cluster con più azoto sono ancora meno stabili. Sulla base di questi dati, possiamo concludere che i fullereni drogati con azoto sono altamente sensibili alla temperatura. L'abbassamento della temperatura in un reattore di soli ~20°C ridurrà significativamente la quota di fullereni difettosi, " ha spiegato Konstantin Katin.

La pubblicazione ha suscitato un grande interesse internazionale tra gli scienziati impegnati nella ricerca sulla produzione e l'applicazione di fullereni drogati. Entro i prossimi anni, una tecnologia può essere sviluppata per sintetizzare fullereni drogati con azoto a temperature più basse. La tecnologia potrebbe risolvere il problema degli isomeri difettosi e garantire la riproduzione delle caratteristiche del cluster risultante.