Ikerbasque researcher: Andrey Chuvilin
Andrey Chuvilin-ek “Direct transformation of graphene to fullerene” izenburua duen artikulua argitaratu berri du Nature Chemistry aldizkari ospetsuan
Andrey Chuvilin-ek, CIC nanoGUNE-ko Ikerbasque-ko Ikerketa Irakasleak, Nottingham-eko Unibertsitateko eta Ulm-eko Unibertsitateko ikerlariekin batera artikulu bat argitaratu du berriki Nature Chemistry-n.
Argitaratutako lanaren garrantzia ulertzeko, fullerenoaren C60 simetria molekular zoragarriaren historiari begiratu behar diogu, zeinak 1967-ko Montreal-ko munduko Exporako osatutako domo geodesikoaren antzerako egitura duen, eta zeinenaren geometría futboleko baloi baten antzerakoa den.
1985-an C60-aren ustekabeko aurkikuntzak, Robert Curl-i, Richard Smalley-i eta Harry Kroto-ri Nobel Saria eman zienak, berehala sortu zuen bere sorreraren mekanismoari buruzko eztabaida sutsua. Isotopoak nahasten zituzten zenbait esperimentuk mekanismo honi buruzko zenbait arrasto eskaini zituzten, zeintzuen ezaugarri nagusia C60-a gas fasean C2 bezalako karbono puska txikiez osatzen dela den. Esperimentu gutxi batzuk fullerenoa grafitozko azal leun batetik ere eratu zitekeela seinalatzen zuten arren, kalkulu teorikoek grafeno xafla fullereno bihurtzen duen transformazioa aktibatzeko beharrezkoa den aktibazio energia oso altua zela erakutsi zuten eta ondorioz prozesu hau ez zen bideragarria inongo esperimentazio baldintza errealistapean. Ondorioz, “goitik-beherako” mekanismoa (hau da, grafeno puska handietatik fullerenoa eratzea) guztiz baztertu zen eta horrenbestez “behetik-gorako” mekanismoa (hau da, karbono atomoen eta karbono talde txikien koalezentziaz fullereno molekulak eratzea) fullerenoa eratzeko bide bakarra bezala definitu zen.
Denboran zehar, zenbait formazio eredu proposatu ziren, hauen artean "nautilus model”-a, "accelerating snowball model"-a, "pentagon road"-a, "fullerene road"-a, "party line"-a, "ring stacking mechanism"-a, "ring fusion spiral zipper mechanism"-a, "Kvataron model"-a eta orain dela gutxiago "shrinking hot giant model"-a. Hainbeste eredu ezberdin eta batzutan kontrajarriak egotearen arrazoi nagusia bakoitzak obserbazio esperimentalen azalpen partziala bakarrik eskeintzen duela da. Gaur egun, ez dago fullerenoa nola sortzen den era egokian azaltzen duen eredu bateratzaile bakarrik.
Chuvilin doktorearen lanak, “goitik beherako” mekanismoaren existentzia argi eta garbi erakutsiz, eta ab initio kalkuluen sostenguarekin, grafeno xafla baten ertzetik karbono atomo baten ezabaketak aktibazio energia altuaren beharra desagerrarazten duela frogatzen du, ondorioz azkenik fullereno molekula sorketara eramaten duten transformazio termodinamikoen sekuentzia ahalbidetzen du. Ikerketa honen ondorioz, “goituk beherako” eredua berpiztu da, eremu teorikoan behinik behin.
“Esperimentuan,” ohartzen du Andrey Chuvilin-ek, “ elektroi izpiaren energia egokitu dugu Transmisiozko Elektroi Mikroskopioan (TEM) elektroiak grafeno xaflaren erditik atomoak kentzeko motelegiak zirelarik, baina beste alde batetik nahikoa abiadura zutelarik ertzetik lotura ahulagoko atomoak askatzeko – hain zuzen ere fullerenoen erakuntza abiatzeko beharrezkoa zena.”Aberrazioak zuzenduak dituen TEM-ak fullerenoaren erakuntza prozesua eta beste molekula mugimendu batzuk denbora errealean eta erresoluzio atomikoan behatzea ahalbidetu zuen. Honek “goitik-beherako” mekanismoaren baliozkotasunarentzat froga esperimentala eman zuen.
Andrey Chuvilin-en hitzetan, ““goitik-beherako” mekanismoen edertasuna “behetik-gorako” mekanismoen arazoak ez dituela da (adibidez, hauek guztiek 3 partikulen arteko talka eskatzen dute prozesuaren giltzarri gisa, gas fasean gertagaitza dena) eta aldi berean fullerenoaren banaketa estuarentzat azalpen natural bat eskeintzen du (ohi bezala, C60-tik C82-ra)."Andrey-k dio, oraindik ere ikerketan beste mezu interesgarriago bat dagoela.
Hamarkadetan zehar, TEM-ek materialen egituraren irudi bat eman izan digute, erresoluzio atomikoan, eta maila horretan gertatzen diren prozesu dinamikoei buruzko informazioa ere bai. Hau ondorengoa kontuan hartu arren: erresoluzio maila hau lortzeko, elektroi izpiaren energiak hain haundia izan behar zuenez, maila atomikoan behatutako prozesu gehienak erradiazioak eragindako kalteak zirela.
Aberrazio zuzentzaileak dituzten TEM modernoek azelerazioaren tentsioa gutxitzea ahalbidetzen dute eta era honetan, lagina aztertzen den egoeraren baldintzak egokitzea. “Egin berri dugun argitalpenean [Agnew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 193-196] baldintzak elektroi izpiak laginean (adibidez, metalofullereno zorroa) sortzen duten eragin nagusia beroketara eta ionizazioara mugatu daitezen egokitu daitezkela frogatu dugu. Ionizazioa, kimikoki, oxidazioaren baliokidea dela onartuz, lagina soil-soilik kimikoa den ingurune batean behatu dezakegula esan dezakegu. Eta honek kimikarentzat kontzeptu guztiz berri bat definitzen du! Kimikan A+B=AB idazteak B-n mol bati A-n mol bat gehitzea eta maila molekularrean zer gertatzen den antzematea esan nahi du. Orain kimikoek A ATOMOA hartu eta B ATOMOArekin nola erlazionatzen den zuzenki behatu dezaketela amestu dezakegu. Kontrol maila altu batekin, elektroi izpiak energia hornitzen du eta erreakzioa sustatzen du, eta aldi berean TEM-arekin behatuta izatea ahalbidetzen du,” laburtzen du Andrey Chuvilin-ek, hurrengoa azpimarratu baino lehen: “Gaur egun, hau apur bat idealista da, bide luzea falta da TEM-a Kimikan modu praktikoan erabili ahal izateko. Baina argitalpen honek arazo kimiko erreal bati kontzeptu honen aplikazioaren lehen adibidea eskeintzen du. Eta badirudi zentzuzko irtenbide bat eskeintzen digula, metodo fisiko-kimiko tradizionalek aintzat hartu ez zutena."
Konpartitu:
