Материалы портала «Научная Россия»

0 комментариев 848

Фторфуллерен оказался «очень кривым мячом»

Химики МГУ и Санкт-Петербургского технологического института вместе с коллегами из Университета штата Орегон впервые в мире исследовали строение в газовой фазе одного из перспективных производных фуллерена – фторфуллерена С60F36

Химики МГУ и Санкт-Петербургского технологического института вместе с коллегами из Университета штата Орегон впервые в мире исследовали строение в газовой фазе одного из перспективных производных фуллерена – фторфуллерена С60F36. Результат оказался настолько неожиданным, что статья попала на обложку The Journal ofPhysical Chemistry A. А нобелевский лауреат Роалд Хоффман назвал её «великолепной». Исследование открывает перспективы для производства устройств гибкой электроники.

Фторфуллерен.

Фторфуллерен.

Игорь Шишков/МГУ

Фуллерены  выпуклые замкнутые многогранники, образованные двадцатью и более атомами углерода. Они занимают особое место среди наноструктур углерода, так как это единственная форма углерода, способная переходить в раствор и в газовую фазу без разложения. Более того, свойства фуллеренов можно контролируемо менять, используя ненасыщенность атомов углерода. Поэтому фуллерены и их производные нашли свое место в медицине и органической оптоэлектронике. Они даже используются в качестве присадки к смазочным материалам. На основе фуллеренов создаются молекулярные магниты, также появились перспективы в спинтронике и квантовых вычислениях.

Можно сказать, что фторфуллерены – уникумы среди уникумов. Это единственные производные фуллеренов, у которых степень функционализации углеродного каркаса меняется от 3% до 80%. Их получают действием на фуллерены молекулярного фтора или фторидов переходных металлов в высших степенях окисления. Любопытно, что в ходе фторирования фуллерена С60 образуются все соединения состава от C60F2 до C60F48, однако препаративно удается получить лишь три фторфуллерена C60F18, C60F36 и C60F48, что позволяет говорить о «магических» степенях заселения углеродного каркаса 18, 36 и 48 атомами фтора. Хотя, казалось бы, какая фтору разница, к какому из атомов углерода присоединяться, а к какому – нет.

Заведующий лабораторией электронографии кафедры физической химии химического факультета МГУ д.х.н. Игорь Шишков (слева) и зав. кафедрой физической химии д.х.н. Алексей Горюнков (справа) на фоне модифицированного электронографа ЭГ-100М.

Заведующий лабораторией электронографии кафедры физической химии химического факультета МГУ д.х.н. Игорь Шишков (слева) и зав. кафедрой физической химии д.х.н. Алексей Горюнков (справа) на фоне модифицированного электронографа ЭГ-100М.

Александра Кучерова/МГУ

Фторирование фуллеренов увеличивает электроноакцепторные свойства (т.е. склонность отнимать электроны у другой молекулы), что делает эти соединения полезными для легирования органических полупроводников и создания на их основе оптоэлектронных устройств (тонкопленочные светодиоды, фотоячейки, сенсоры и т.д.). Возможность перевести фторфуллерены в раствор или в газовую фазу открывает возможность их применения для производства устройств гибкой электроники с использованием методов печатных (рулонных) технологий, рассказывает заведующий лабораторией электронографии кафедры физической химии Химического факультета МГУ д.х.н. Игорь Шишков«В отличие от известных органических акцепторов, фторфуллерены менее летучи, что позволяет создавать более долговечные устройства. К тому же, фторфуллерены легко получить в одну стадию путем фторирования фуллеренов фторидами переходных металлов или молекулярным фтором. Так как на кафедре физической химии методики синтеза фторфуллеренов хорошо отработаны, мы решили изучить строение одного из них – С60F36 в газовой фазе».

Квантово-химические расчеты показали, что изучаемая молекула должна быть совсем не похожа на красивый футбольный мяч – ставшую уже привычной структуру фуллерена С60, продолжает Игорь Шишков: «Поэтому нам стало любопытно, действительно ли при фторировании фуллерена возникает подобное искажение, и подтвердить или опровергнуть расчеты, исходя из проведенного электронографического эксперимента». Синтез фторфуллерена C60F36, его очистка и спектральный анализ методами ВЭЖХ-МС и ЯМР были проведены в лаборатории термохимии, возглавляемой и.о. зав. кафедрой физической химии, д.х.н. Алексеем Горюнковым. Синтетическая работа была выполнена в рамках курсовой работы по неорганической химии студентом химического факультета Виктором Хиневичем. Комплекс экспериментальных данных, включающих результаты электронографических экспериментов и данные спектроскопии ЯМР, подтвердил выводы квантово-химического моделирования, проведенные заведующим кафедрой общей физики Технологического института Санкт-Петербурга, выпускником химического факультета МГУ, профессором Александром Беляковым. Экспериментально показано, что при переходе от C60 к C60F36 углеродный каркас сильно искажается из-за стерических, электростатических и орбитальных взаимодействий. Искажение приводит к удлинению углерод-углеродной связи до 1.671 Å, что значительно выше типичных значений для С–С связи в свободных молекулах.

Обложка журнала The Journal of Physical

Обложка журнала The Journal of Physical

Chemistry A. Игорь Шишков/МГУ

«Полученные результаты позволяют лучше понять причины возникновения необычных свойств фторфуллеренов, – отметил Алексей Горюнков. – Мы выяснили изомерный состав фторфуллерена C60F36 в конденсированной и газовой фазах. А так как он перспективен в качестве легирующей добавки для создания оптоэлектронных устройств, задача из фундаментальной моментально становится прикладной».

У работы уже есть продолжение – компания IBM предложила российским ученым исследовать строение в газовой фазе производных фуллерена, внутрь углеродного каркаса которых заключен металлокластер. Особенность подобных соединений в стабильности при обычных условиях, хотя заключенные в углеродный каркас отдельные атомы или кластеры в свободной форме крайне реакционноспособны. Благодаря химически инертному углеродному каркасу подобный вариант инкапсуляции тяжелых и радиоактивных металлов открывает возможность их использования в компьютерной томографии, радиодиагностике и радиофармацевтике.

Своё исследование химики посвятили выдающемуся ученому из Университета штата Орегон профессору К. Хедбергу. Он был любимым учеником Л. Полинга, дважды лауреата Нобелевской премии. Хедберг первым исследовал структуру фуллерена в газовой фазе в 1991 году. Его работа была опубликована в журнале Science.

 

Информация и фото предоставлены пресс-службой МГУ

МГУ наноструктуры углерода фторфуллерен фуллерен

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.