L'affinité électronique libérée : les capacités chimiques surprenantes des fragments plats de fullerène

May 16, 2023

Par Université de Kyoto22 juin 2023

Même sans la symétrie et la courbure des fullerènes, les fragments plats de fullerènes qui maintenaient la sous-structure pentagonale présentaient les mêmes propriétés d'acceptation d'électrons que les fullerènes. Crédit : YAP Co., Ltd.

Les fragments de molécules sphériques « Buckyball » ont une capacité stable d’acceptation d’électrons avec un grand potentiel pratique.

Researchers at Kyoto University in Japan have gained new insights into the unique chemical properties of spherical molecules composed entirely of carbon atoms, called fullerenes. They did it by making flat fragments of the molecules, which surprisingly retained and even enhanced some key chemical properties. The team published their findings in the journal Nature Communications<em>Nature Communications</em> is a peer-reviewed, open-access, multidisciplinary, scientific journal published by Nature Portfolio. It covers the natural sciences, including physics, biology, chemistry, medicine, and earth sciences. It began publishing in 2010 and has editorial offices in London, Berlin, New York City, and Shanghai. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Communication naturelle.

“Our work could lead to new opportunities in a wide range of applications, such as semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">semi-conducteurs, dispositifs de conversion photoélectrique, batteries et catalyseurs », déclare Aiko Fukazawa, chef de groupe de l'Institut pour les sciences intégrées des cellules et des matériaux (iCeMS).

Le Buckminsterfullerène (ou simplement « buckyball ») est une molécule dans laquelle 60 atomes de carbone sont liés pour former une forme sphérique. Il doit son nom à ses similitudes structurelles avec les dômes géodésiques conçus par le célèbre architecte Buckminster Fuller, et sa structure unique a continuellement suscité l'intérêt des scientifiques. Le buckminsterfullerène et les amas de carbone sphériques associés avec différents nombres d'atomes de carbone sont familièrement connus sous le nom de fullerènes, d'après le nom de famille de Fuller. L’une de leurs caractéristiques les plus intrigantes est leur capacité à accepter des électrons, un processus connu sous le nom de réduction. En raison de leur caractère accepteur d'électrons, les fullerènes et leurs dérivés ont été largement étudiés en tant que matériaux de transport d'électrons dans les transistors organiques à couches minces et les photovoltaïques organiques. Néanmoins, les fullerènes constituent une classe de matériaux anormale par rapport à tout autre accepteur d’électrons organiques conventionnel, en raison de leur robustesse à accepter plusieurs électrons.

Les chimistes théoriciens ont proposé trois facteurs possibles qui pourraient être à l'origine de la capacité d'acceptation d'électrons du fullerène : la grande symétrie de la molécule entière, ses atomes de carbone avec des liaisons disposées de manière pyramidale et la présence de sous-structures pentagonales réparties entre des anneaux à six chaînons.

L'équipe de Kyoto s'est concentrée sur l'influence des anneaux pentagonaux. Ils ont conçu et synthétisé des fragments aplatis de fullerène et ont confirmé expérimentalement que ces molécules pouvaient accepter jusqu'à un nombre d'électrons égal au nombre d'anneaux à cinq chaînons dans leur structure sans décomposition.

"Cette découverte surprenante met en évidence l'importance cruciale de la sous-structure pentagonale pour générer des systèmes stables acceptant plusieurs électrons", explique Fukazawa.