コンピューターシミュレーションはフラーレンのほぼ永遠の命を約束しました

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Anonim
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NRNU MEPhIの科学者は、フラーレンのC20炭素原子を窒素原子に置き換えることによって得られる分子をモデル化し、化合物の欠陥の形成を研究し、それらの寿命を計算しました。 Physica Eに掲載された記事:低次元システムとナノ構造。

炭素は、多種多様な特性を持つ膨大な数の同素体化合物を形成します。特に興味深いのはフラーレンです。これは、20から数百の炭素原子を含む巨大な分子です。フラーレンは、レーザー照射されたグラファイトの蒸気を観察しながら1985年に最初に取得されました。1996年に、フラーレンの発見者はノーベル化学賞を受賞しました。フラーレンを含む炭素の「装い」について詳しくは、記事をご覧ください。

科学者たちは、炭素原子のみからなる「純粋な」フラーレンに加えて、炭素が他の化学元素の原子に置き換えられた、より複雑な化合物も研究しています。代わりに、窒素やホウ素など、同様の質量と特性を持つ原子を使用すると特に便利です。したがって、純粋なフラーレンの結合長は、トリメチルアミンの炭素原子と窒素原子の間の距離と実質的に一致します。これにより、フラーレン構造を大幅に変更することなく、窒素原子を炭素原子に置き換えることができます。同時に、この置換は材料の電子的および化学的特性に影響を与えます。このような材料は、多くのナノ電子デバイスに応用できると考えられています。

最も単純なフラーレンはC20分子で、二十面体の頂点に炭素原子が配置されています。室温でのこの分子の寿命は非常に長いことが知られており(無限と見なすことができるため)、半経験的分子動力学法と第一原理計算の枠組みの中で欠陥の形成が十分に研究されています。ただし、個々の炭素原子を窒素原子に置き換えると、化合物の特性が大幅に変化する可能性があります。また、C20-nNnシステムも現在活発に研究されていますが、それらの欠陥の形成はまだ研究されていません。

新しい記事で、科学者のコンスタンチン・ケイティンとミハイル・マスロフは、1〜3個の炭素原子が窒素原子に置き換えられたそのようなC20フラーレン化合物の特性を調査しました。これを行うために、彼らはさまざまな化合物を数値的にシミュレートし、密度汎関数理論(DFT)に基づくTeraChemプログラムを使用して最小エネルギー構成を見つけました。 C18N2およびC17N3化合物の特性は、分子組成だけでなく、構成にも依存することを考慮に入れる必要があります(それらにはいくつかの異性体があるため)。科学者たちはC18N2異性体の特性を個別に研究しましたが、C17N3については、窒素原子が互いに最大距離にある1つの構成のみを検討しました(図を参照)。

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C20フラーレンをベースにしたさまざまな化合物の構造。灰色は炭素原子を示し、青色は窒素原子を示します

まず、研究者らは、炭素の窒素への置換がフラーレンの特性にどのように影響するかを計算しました。たとえば、強く満たされた電子殻と弱く満たされた電子殻の間のエネルギーギャップ(いわゆるHOMO-LUMOギャップ)です。 C18N2異性体では、このギャップは純粋なC20よりもわずかに大きいのに対し、C19NおよびC17N3化合物では、逆に数分の1であることがわかりました。

次に、化学者はそのような化合物の欠陥の形成のプロセスを研究しました。以前の理論的研究によると、Stone-Wales欠陥は、そのような化合物の中で最も低い活性化エネルギーを持っています。これは、その中心の周りの炭素-炭素結合の90度の回転と見なすことができます。窒素を含む化合物の活性化エネルギーは、純粋なフラーレンの活性化エネルギーよりもはるかに低いことが判明しました。したがって、C19Nの場合は約2.98電子ボルト、C18N2のさまざまな異性体の場合は3.51〜2.21電子ボルト、C20の場合は4.93電子ボルトでした。このようなエネルギーの低下は、まず第一に、このような化合物では、窒素原子と炭素原子の間の結合が破壊されているという事実が原因である可能性が最も高いです。

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さまざまな接合部の欠陥形成メカニズム

最後に、科学者はアレニウスの法則を使用して、分子の寿命の間にこれらのエネルギー値を再計算しました。室温では、炭素原子が窒素原子に置き換わったときの活性化エネルギーの減少は重要ではありません。分子の寿命は短くなりますが、無限大になるほど大きいままです。たとえば、C20の寿命は約1067秒で、C17N3は1021秒です。言い換えれば、テストされたすべての化合物は室温で安定したままです。ただし、高温(摂氏500度程度)では、この違いはすでに顕著であり、純粋なフラーレンは依然として安定していますが、窒素を含む分子は1秒から数十の時間で崩壊(より正確には重合)します。分。

さらに、同様の方法で、科学者は、ホウ素が窒素ではなく代替元素として機能する化合物C19Bをモデル化しました。この場合の活性化エネルギーは、実質的に純粋なC20のエネルギーと変わらず、約4.47電子ボルトです。これは、炭素原子の代わりにホウ素を使用しても、化合物の特性(特に寿命)にほとんど影響がないことを意味します。

密度汎関数理論は、さまざまな分子の特性を数値的に研究するために科学者によってよく使用されます。たとえば、この理論を使用して、中国の化学者は、フラーレンに似ており、バレーボールに似ている、炭素とスカンジウムの化合物のパラメータを計算しました。また、ベルギーの研究者は、C50フラーレンは超芳香族性の基準を満たしていますが、そうではないことを示しています。

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