Des scientifiques de l'Université nationale de recherche nucléaire MEPhI (Russie) ont expliqué la stabilité des fullerènes dopés à l'azote, ce qui facilite leur production industrielle et leur application. L'article a été publié dans Physica E :Systèmes de basse dimension et nanostructures .

Le carbone est l'un des éléments chimiques les plus répandus sur Terre. Il fait partie de tous les composés organiques et de nombreux composés inorganiques. Avant la fin du 20e siècle, seulement deux de ses formes allotropiques, diamant et graphite, étaient connus. À ce jour, les scientifiques ont découvert de nombreuses autres formes déjà utilisées en électronique, pharmacologie et énergie.

L'une des formes les plus prometteuses parmi ces formes sont les fullerènes – des sphères creuses qui contiennent de 20 à plusieurs centaines d'atomes de carbone. Leur découverte a remporté le prix Nobel de chimie en 1996. Il a été constaté que chaque fullerène peut agir comme un dispositif nanoélectronique complet, comme une diode ou un transistor. Grâce à leurs petites dimensions, Les appareils au fullerène sont très efficaces et extrêmement rapides.

Les fullerènes chimiquement modifiés constituent la prochaine étape du développement de la technologie des fullerènes. dopage de substitution, qui comprend la substitution d'un ou plusieurs atomes de carbone par des atomes d'un élément différent, est une méthode de modification courante. La structure globale de Fullerene reste la même, mais sa composition électronique et son activité chimique changent. Par conséquent, le dopage de substitution augmente la variabilité des caractéristiques des fullerènes et élargit donc le champ de leur application.

Les éléments les plus proches du carbone dans le tableau périodique, le bore ou l'azote, sont généralement utilisés comme substituts. Ils ont une masse atomique et une taille proche de celle du carbone. Les fullerènes dopés au bore et à l'azote sont de bons adsorbants de substances médicales et d'agents neurotoxiques. Ils adsorbent également avec succès les additifs.

Cependant, les scientifiques ont découvert que les fullerènes dopés à l'azote synthétisés contiennent une part élevée d'isomères défectueux qui diffèrent des autres par leur structure et leurs caractéristiques. Les températures élevées requises pour la synthèse ont causé le défaut dit de Stone-Wales qui a déstabilisé les cages de fullerène. Il est important de noter que les fullerènes dopés au bore étaient résistants à la chaleur.

Les professeurs Konstantin Katin et Mikhail Maslov ont cherché à expliquer cette caractéristique. Pour leurs recherches, ils ont choisi le plus petit fullerène, composé de seulement 20 atomes. En raison de sa petite taille, il est moins stable que les autres fullerènes. Par conséquent, les causes des défauts devraient être les plus apparentes.

L'interaction des atomes de fullerène et la distribution des électrons dans sa cage ont été décrites à l'aide de modèles mathématiques spéciaux basés sur les lois de la mécanique quantique. Les physiciens ont utilisé à la fois des progiciels spécialisés et leurs propres programmes originaux. La tâche la plus compliquée était d'établir la géométrie du point de selle, une configuration de fullerène lorsque l'excitation thermique normale devient irréversible et conduit par tous les moyens au défaut.

Les résultats de MEPhI ont fourni une explication complète de la stabilité des fullerènes dopés. Basé sur les équations de la mécanique quantique, les chercheurs ont prouvé que, contrairement au bore, même un atome d'azote peut déstabiliser une cage de fullerène à cause de l'atome d'azote ayant un électron supplémentaire.

"Nous avons constaté qu'il faut 4,93 eV pour détruire le fullerène С20 d'origine alors qu'il ne faut que 2,98 eV pour détruire un fullerène dopé au C19N. Les clusters avec plus d'azote sont encore moins stables. Sur la base de ces données, nous pouvons conclure que les fullerènes dopés à l'azote sont très sensibles à la température. Abaisser la température dans un réacteur de seulement ~20°C réduira considérablement la part de fullerènes défectueux, " a expliqué Konstantin Katin.

La publication a suscité un grand intérêt international parmi les scientifiques recherchant la production et l'application de fullerènes dopés. Au cours des prochaines années, une technologie peut être développée pour synthétiser des fullerènes dopés à l'azote à des températures plus basses. La technologie pourrait résoudre le problème des isomères défectueux et garantir que les caractéristiques du cluster résultant peuvent être reproduites.