Плоские фрагменты фуллерена, притягивающие электроны

«Наша работа может открыть новые возможности в широком спектре приложений, таких как полупроводники, устройства фотоэлектрического преобразования, батареи и катализаторы», — говорит руководитель группы Айко Фукадзава из Института интегрированных наук о клеточных материалах (iCeMS).

Бакминстерфуллерен (или просто «бакибол») представляет собой молекулу, в которой 60 атомов углерода связаны между собой, образуя сферическую форму. Он был назван в честь структурного сходства с геодезическими куполами, спроектированными знаменитым архитектором Бакминстером Фуллером, а его уникальная структура постоянно привлекала интерес ученых. Бакминстерфуллерен и родственные ему сферические углеродные кластеры с разным количеством атомов углерода в просторечии известны как фуллерены по фамилии Фуллера. Одной из их наиболее интригующих характеристик является способность принимать электроны — процесс, известный как восстановление. Из-за своего электроноакцепторного характера фуллерены и их производные широко исследовались в качестве материалов, переносящих электроны, в органических тонкопленочных транзисторах и органических фотоэлектрических элементах. Тем не менее, фуллерены представляют собой аномальный класс материалов по сравнению с любыми другими традиционными органическими акцепторами электронов из-за их устойчивости к принятию нескольких электронов.

Химики-теоретики предположили три возможных фактора, которые могут лежать в основе способности фуллерена принимать электроны: высокая симметрия всей молекулы, ее атомы углерода с пирамидально расположенными связями и наличие пентагональных субструктур, распределенных между шестичленными кольцами.

Команда Киото сосредоточилась на влиянии пятиугольных колец. Они спроектировали и синтезировали уплощенные фрагменты фуллерена и экспериментально подтвердили, что эти молекулы могут принимать без распада количество электронов, равное числу пятичленных колец в их структуре.

«Это удивительное открытие подчеркивает решающее значение пятиугольной субструктуры для создания стабильных многоэлектронных принимающих систем», — говорит Фукадзава.

Эксперименты также показали, что фрагменты демонстрируют повышенное поглощение ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного света по сравнению с более ограниченным поглощением самого фуллерена. Это может открыть новые возможности в фотохимии, например, использование света для инициирования химических реакций или разработку датчиков света или систем, работающих на солнечной энергии.

Теперь команда будет изучать возможности их плоских фуллереновых фрагментов в самых разнообразных приложениях, связанных с процессами переноса электрона. Необычно получить такую ​​высокую способность к принятию электронов в молекулах, состоящих только из углерода, избегая типичного требования по введению других электроноакцепторных атомов или функциональных групп в каркас на основе углерода. Однако дальнейшее изучение эффектов включения других атомов или химических групп может дать дополнительный контроль над химическими свойствами и универсальность в них.

«Мы надеемся стать пионерами в науке и технологии того, что мы называем углеводородами, принимающими суперэлектроны, воспользовавшись их высокой степенью свободы для изучения эффектов структурных модификаций», — говорит Фукадзава.