Впервые отснято превращение графена в фуллерены

Чтобы увидеть, как именно на атомном уровне графен становится россыпью фуллереновых "шариков", учёные из Германии, Испании и Великобритании использовали просвечивающий электронный микроскоп (TEM).

Изображения листов графена, полученные при помощи просвечивающего электронного микроскопа. Стрелками показаны отдельные сфероиды на разных стадиях образования (иллюстрация Nature Chemistry).

Весь процесс можно разложить на четыре основных шага.

Инициировал реакцию высокоэнергетический электронный луч микроскопа, которым исследователи посветили на лист графена. Так как атомы углерода на его краю связаны лишь с парой соседей, "отколоть" их от края очень легко. Из-за этого край листа постоянно меняет форму.

Далее на краю листа с обрывками связей образуются пентагоны, которые заставляют лист постепенно приобретать чашевидную форму (эти части процесса термодинамически выгодны). В конце концов, отдельные края будущего фуллерена сходятся вместе. Количество "открытых" связей уменьшается, получается наиболее стабильная в таких условиях конфигурация углеродных атомов.

Переход от a к b: потеря атомов углерода на краю листа; b – c: образование пентагонов; c – d: сворачивание чешуйки; d – e: образование новых связей, подготовка к "закрытию"; e – f: образование фуллерена C₆₀ (иллюстрация Nature Chemistry).

Образовавшийся шар не теряет составляющие, и электронный луч больше не в состоянии его "расщепить". "Впервые мы наблюдали образование фуллерена in situ", — подводит итог один из авторов работы, Андрей Хлобыстов из университета Ноттингема.

Нынешнее исследование объяснило, отчего при получении фуллеренов на руках у учёных в основном оказываются разновидности C₆₀ и C₇₀. При количестве атомов больше сотни на процесс соединения краёв такого "шарика" уходит слишком большое количество энергии, а при значении меньше 60 – края не соединяются из-за того, что связи испытывают слишком большое растяжение.