Dans la quatrième et dernière étape, les liaisons carbone font que le graphène incurvé « glisse » ses bords ouverts et forme une buckyball en forme de cage. Parce que le processus de fermeture éclair réduit le nombre de liaisons pendantes, le fullerène sphérique représente la configuration d'atomes de carbone la plus stable dans ces conditions. Une fois les bords complètement scellés, aucun autre atome de carbone ne peut être perdu, et le fullerène nouvellement créé reste intact sous le faisceau électronique.

Bien que les fullerènes sphériques puissent déjà être générés avec des rendements élevés à partir du graphite (qui est composé de nombreuses feuilles de graphène empilées ensemble), jusqu'à présent, les scientifiques n'ont pas pleinement compris les mécanismes sous-jacents de leur formation. En observant le processus en temps réel dans cette étude, les chercheurs ont pu identifier les changements structurels que subit le graphène pour devenir de plus en plus rond et former un fullerène parfait. Les résultats aident à percer le mystère de la formation des fullerènes en expliquant, par exemple, comment fonctionne l'ablation laser comme méthode de production de fullerène :le faisceau électronique du microscope, semblable à un faisceau laser, fournit l'énergie nécessaire pour rompre les liaisons carbone et constitue l'étape initiale critique du processus de formation.

« La clé de la visualisation directe de la formation de fullerène est (i) des flocons de graphène atomiquement minces montés perpendiculairement au faisceau d'électrons ; (ii) MET haute résolution à correction d'aberration permettant une imagerie avec une résolution atomique ; et (iii) une analyse minutieuse de l'évolution du graphène en fullerène, simulation d'images et corrélation des données expérimentales avec des calculs théoriques, », a déclaré Khlobystov. "C'est pourquoi notre étude découvre bien plus que les études MET précédentes."

En outre, les résultats aident à expliquer la forte abondance de C 60 et C 70 fullerènes (fullerènes composés de 60 ou 70 atomes de carbone) trouvés dans différentes méthodes de production de fullerène. Les chercheurs ont découvert qu'un grand flocon de graphène initial (plus de 100 atomes de carbone) impose une pénalité énergétique importante pendant l'étape de courbure, de sorte que ses bords continuent à être ébréchés jusqu'à ce qu'il soit suffisamment petit pour se courber. D'autre part, de très petits flocons de graphène (moins de 60 atomes) subissent une contrainte excessive sur les liaisons carbone pendant l'étape de courbure, les empêchant de se refermer. Donc, pour permettre le processus de formation thermodynamiquement conduit, les fullerènes finissent par avoir une gamme étroite de diamètres d'environ un nanomètre en moyenne, ce qui correspond à 60-100 atomes de carbone.

« Comprendre le processus de formation des fullerènes nous apprend le lien fondamental entre les différentes formes de carbone, », a déclaré Khlobystov. "Aussi, il ouvre de nouvelles voies pour la fabrication de nanostructures moléculaires à l'aide du faisceau électronique. C'est une nouvelle façon de faire de la chimie et d'étudier les molécules !

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