俄科學家揭開穩定摻氮富勒烯的神秘面紗

國立核能研究大學（俄羅斯）的科學家們解釋了摻雜了氮原子的富勒烯的穩定性，這使得它們的工業化生產和應用更加容易。原文發表在了Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures（物理E：低維繫統和納米結構）。

碳是地球上最常見的化學元素之一。它是組成所有有機和許多無機化合物的一部分。在二十世紀末之前，只有兩種已知的碳單質的同素異形體，金剛石和石墨。而時至今日，科學家已經發現了碳單質的更多形態，許多已經用於電子，藥理學和能源上。

這些形態中最有希望的之一是富勒烯 - 含有20到幾百個碳原子的空心球。富勒烯的發現獲得了1996年諾貝爾化學獎。每個富勒烯可以作為一個完整的納米電子器件，如二極體或晶體管。由於它們的尺寸小，富勒烯裝置非常有效並且非常快速。

化學改性富勒烯是富勒烯技術發展的下一個階段。進行替代摻雜，其中包括用不同元素的原子取代一個或幾個碳原子，這是一種常用的修飾方法。富勒烯的總體結構保持不變，但其電子組成和化學活性改變。因此，替代摻雜增加了富勒烯特性的可變性，從而擴大了其應用範圍。

碳元素周期表中最接近的元素，硼或氮，通常用作替代品。它們的原子質量和大小接近碳。硼和氮摻雜的富勒烯是醫用物質和神經毒劑的良好吸附劑。他們還成功吸附添加劑。

然而，科學家們發現，合成的氮摻雜富勒烯在結構和性質上有很大的缺陷異構體份額。合成所需的高溫引起了所謂的Stone-Wales缺陷，使富勒烯籠失去穩定性。注意硼摻雜的富勒烯是耐熱的。

康斯坦丁·卡廷教授和米哈伊爾·馬斯洛夫教授試圖解釋這一特點。為了他們的研究，他們選擇了最小的富勒烯，只有20個原子的C20。由於其體積小，不如其他富勒烯那樣穩定。因此，缺陷的原因應該是最明顯的。

利用基於量子力學定律的特殊數學模型，描述了富勒體原子與籠內電子分布的相互作用。物理學家使用了專門的軟體包和他們自己的原始程序。最複雜的任務是建立鞍點的幾何形狀，當正常的熱激發變得不可逆時，富勒烯的配置，通過所有手段導致缺陷。

MEPhI的結果提供了摻雜富勒烯穩定性的完整解釋。根據量子力學方程，研究人員證明，與硼不同，即使是一個氮原子也會因為氮原子上有一個額外電子而使富勒烯籠失穩。

「我們發現，破壞原始的20％富勒烯需要4.93 eV，而破壞C19N富勒烯的損耗只需要2.98 eV，氮含量更多的團簇更不穩定，根據這些數據，我們可以得出氮摻雜富勒烯對溫度非常敏感，將反應器內的溫度降低20°C將顯著降低富勒烯缺陷的比例，「康斯坦丁·卡廷教授解釋說。

該出版物在研究摻雜富勒烯的生產和應用的科學家中引起了極大的國際興趣。在接下來的幾年內，可能會開發一種技術來在較低溫度下合成氮摻雜富勒烯。該技術可以解決缺陷異構體的問題，並確保所得到的簇的特徵可以被再現。

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