Сотрудники Университета Ульма (Германия) и Ноттингемского университета (Великобритания) с помощью просвечивающего электронного микроскопа зафиксировали процесс «сворачивания» листов графена.

Корректно интерпретировать результаты пионерских наблюдений помогло квантовохимическое моделирование. Как выяснилось, превращение обычного листа графена в составленный из атомов углерода выпуклый замкнутый многогранник — фуллерен — проходит в четыре этапа.

Этапы превращения листа графена в фуллерен (иллюстрация из журнала Nature Chemistry).

На первой стадии эксперимента учёные с помощью электронного пучка микроскопа «отрывали» расположенные на краях листа графена атомы углерода, которые удерживаются только двумя связями. Это дестабилизировало структуру и приводило к появлению пятиугольных объединений атомов и последующему изгибанию листа, принимавшего форму чаши. Оба процесса термодинамически выгодны, поскольку атомы на краях получают возможность сблизиться друг с другом и образовать связи.

Под воздействием электронного пучка чашеобразная структура продолжала меняться, приближаясь к наиболее стабильному состоянию, и на последнем этапе преобразовывалась в замкнутый многогранник, в котором все атомы углерода удерживаются тремя связями.

При анализе результатов эксперимента исследователи выяснили, что возможность образования фуллерена определяется тем, какой размер имеет лист графена. Если он слишком велик (то есть содержит несколько сотен атомов), ван-дер-ваальсово взаимодействие между ним и нижележащим слоем графена будет препятствовать сворачиванию, а атомы на краях будут отрываться без видимых последствий до тех пор, пока число оставшихся в структуре листа не дойдёт до ста. Если же лист, напротив, слишком мал (менее 60 атомов), при изгибании связи будут испытывать слишком высокую нагрузку, и законченный многогранник не сформируется.

Специалисты давно знали, что различные методы получения фуллеренов дают избыток C₆₀ и C₇₀; теперь эта закономерность получила своё объяснение.

Полная версия отчёта опубликована в журнале Nature Chemistry.

Подготовлено по материалам PhysOrg.

Текст: Дмитрий Сафин