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18:54 17 August 2019
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    Eine Forscherin (Symbolbild)

    Physiker lüften Geheimnis von „standfesten Fullerenen“

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    Forscher von der Nationalen Universität für Nuklearforschung (MEPhI)" haben den Mechanismus der Standfestigkeit von dotierten Fullerenen erklärt. Damit wurden die industrielle Produktion und Anwendung (zum Beispiel als Nanoelemente für die Elektronik) vereinfacht.

    Der Artikel über dieses Forschungsprojekt ist in der angesehenen wissenschaftlichen Zeitschrift «Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures» veröffentlicht.

    Der Kohlenstoff ist eines der am meisten verbreiteten Elemente auf der Erde und Bestandteil aller organischen und vieler anorganischen Verbindungen. Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts waren nur zwei seine allotropen Formen bekannt – Diamant und Graphit. Zu diesem Zeitpunkt entdeckten die Forscher eine Menge neuer Formen, die bereits in der Elektronik, Pharmakologie und dem Energiebereich angewendet werden.

    Eine der zukunftsweisenden solchen Formen sind Fullerene. Das sind kugelförmige hohle Cluster, die 20 bis mehrere Hundert Kohlenstoffatome enthalten. Für die Entdeckung der Fullerene wurde 1996 der Nobelpreis für Chemie verliehen. Es stellte sich heraus, dass jedes Fulleren als eine fertige nanoelektronische Apparatur auftritt, zum Beispiel, Diode oder Transistor. Dank ihrer Größe sind diese „Apparaturen“ sehr effektiv und verfügen über eine ausschließliche Reaktionsgeschwindigkeit.

    Nächste Etappe der Entwicklung von fullerenen Technologien wurde die Anwendung von chemisch modifizierten Fullerenen. Die verbreitete Verfahrensweise der Modifikation ist die ersetzende Dotierung – Ersatz von einem oder mehreren Kohlenstoffatomen durch Atome eines anderen Elementes. Dabei bleibt die allgemeine Struktur des Fullerens erhalten, aber sein elektronischer Bau und seine chemische Aktivität ändern sich. So erhöht die ersetzende Dotierung die Variabilität der Eigenschaften von Fullerenen und erweitert somit die Möglichkeiten für ihre Anwendung.

    Die atomistischen Strukturen von Fullerenen C20, die von einem, zwei oder mehreren Stickstoffatomen dotiert wurden. Die grauen und blauen Kugeln stellen Kohlenstoff- bzw. Stickstoffatome dar.
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    Die atomistischen Strukturen von Fullerenen C20, die von einem, zwei oder mehreren Stickstoffatomen dotiert wurden. Die grauen und blauen Kugeln stellen Kohlenstoff- bzw. Stickstoffatome dar.

    Als ersetzende Elemente werden für gewöhnlich die nächsten Nachbarn des Kohlenstoffes im Periodensystem der Elemente verwendet: Bor oder Stickstoff, wessen Atome nach Masse und Größe Kohlenstoffatomen ähnlich sind. Außerdem treten die von diesen Elementen dotierten Fullerene als gute Adsorbentien von Medikamenten und neuroparalytischen Gase auf, indem sie effektiv Verunreinigungen adsorbieren.

    Mit dem stürmischen Interesse an ihrer industriellen Synthese konnte man jedoch herausfinden, dass die Produktion von den vom Stickstoff dotierten Fullerenen bei weitem nicht mängelfrei ist – es geht um defekte Isomere, die sich von den anderen durch ihre Struktur und Eigenschaften unterscheiden. Unter Einfluss hoher Temperaturen, die für eine Synthese notwendig sind, entstanden darin die sogenannten „Stone-Wales-Defekte“, die zur Destabilisierung des fullerenen Skelettes führten. Was dabei wichtig ist – dieses Problem gab es nicht mit den vom Bor dotierten Fullerenen: diese blieben bei hohen Temperaturen standfest.

    Diese Besonderheit erklärten die Dozenten vom Fachbereich Physik für Kondensationsumgebungen des Instituts für Nanotechnologien in Elektronik, Spintronik und Photonik der MEPhI-Universität, Konstantin Katin und Michail Maslow. Zur Erforschung wählten sie das kleinste Fulleren aus, das nur aus 20 Atomen besteht. Wegen seiner kleinen Größe ist er weniger stabil als andere Fullerene, deswegen mussten in diesem Fulleren Gründe am markantesten zutage kommen, die zum Entstehen von Defekten führen.

    Das Zusammenwirken von Atomen des Fullerens und die Verteilung der Elektronen innerhalb seines Raumabschnitts wurden im Rahmen von speziellen mathematischen Modellen beschrieben, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren. Für Berechnungen verwendeten die Forscher sowohl spezialisierte Programmpakete als auch ihre eigenen einzigartigen Programme. Besondere Schwierigkeit bestand darin, die Geometrie des „Sattelpunktes“ festzustellen: die Konfiguration des Fullerens, bei deren Durchgang eine gewöhnliche thermische Anregung nicht zurückführbar wird und zum Entstehen eines Defektes führt.

    Mit den Ergebnissen in der MEPhI-Universität konnte der Mechanismus für die Standhaftigkeit von dotierten Fullerenen erklärt werden. Auf Grundlage von quantenmechanischen Rechnungen haben die Autoren bewiesen, dass im Gegensatz zum Bor sogar ein einziges Stickstoffatom das Skelett des Fullerens destabilisiert. Das ist darauf zurückzuführen, dass das Stickstoffatom ein zusätzliches Elektron hat, was beim Kohlenstoffatom nicht der Fall ist.

    „Es stellte sich heraus, — dass man für die Zerstörung eines C20-Ausgangsfullerens 4.93 eV Energie und für die Zerstörung eines dotierten C19N-Fullerens nur 2.98 eV verbrauchen muss. Die Cluster mit einem höheren Stickstoffgehalt sind noch weniger standfest. Anhand der erhaltenen Daten ist man zur Schlussfolgerung gekommen, dass die vom Stickstoff dotierten Fullerene gegen das Temperaturregime sehr empfindlich sind: die Senkung der Temperatur im Reaktor allein um ~20°C wird zur wesentlichen Reduzierung von defekten Fullerenen führen“, erklärt Konstantin Katin.

    Nachdem der Artikel veröffentlicht worden war, zeigten Forscher aus verschiedenen Ländern, die sich mit den Problemen der Produktion und Anwendung von dotierten Fullerenen befassen, reges Interesse an dieser Arbeit. In den kommenden Jahren könnte eine Technologie für Synthese von vom Stickstoff dotierten Fullerenen bei niedrigen Temperaturen geschaffen werden. Mit dieser Technologie kann das Problem von defekten Isomeren gelöst und die Reproduktion von Eigenschaften der entstehenden Cluster gewährleistet werden.

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    Tags:
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