Welke fotofysische eigenschappen heeft carbyne? Dit was het onderwerp van onderzoek uitgevoerd door wetenschappers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), de Universiteit van Alberta, Canada, en de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Zwitserland, wat heeft geleid tot een beter begrip van de eigendommen van deze ongebruikelijke vorm van koolstof. Hun bevindingen zijn nu gepubliceerd in de laatste editie van het tijdschrift Nature Communications.
“Koolstof heeft een heel speciale status in het periodiek systeem der elementen en vormt de basis voor alle vormen van leven vanwege het extreem grote aantal chemische verbindingen dat het kan vormen”, legt prof. Dr. Dirk M. Guldi uit aan de voorzitter van Physical Chemistry I bij FAU. “De bekendste voorbeelden zijn driedimensionaal grafiet en diamant. Maar tweedimensionaal grafeen, eendimensionale nanobuisjes en nul-dimensionale nanodots openen ook nieuwe mogelijkheden voor elektronische toepassingen in de toekomst.”
Materiaal met buitengewone eigenschappen
Carbyne is een modificatie van koolstof, bekend als een allotroop. Het wordt synthetisch vervaardigd, bestaat uit één enkele en zeer lange keten van koolstofatomen en wordt beschouwd als een materiaal met buitengewoon interessante elektronische en mechanische eigenschappen. “Koolstof heeft in deze vorm echter een hoge mate van reactiviteit”, benadrukt prof. Dr. Clémence Corminboef van EPFL. “Zulke lange ketens zijn buitengewoon onstabiel en daardoor erg moeilijk te karakteriseren.”
Desondanks heeft het internationale onderzoeksteam de ketens met succes gekarakteriseerd via een omweg. De wetenschappers onder leiding van prof. Dr. Dirk M. Guldi van de FAU, prof. Dr. Clémence Corminboeuf, prof. Dr. Holger Frauenrath van EPFL en prof. Dr. Rik R. Tykwinski van de Universiteit van Alberta trokken bestaande aannames over eigenschappen van carbyne en nieuwe inzichten opgedaan.
Tijdens hun onderzoek richtte het team zich vooral op wat bekend staat als oligoynes. “We kunnen carbynekettingen van specifieke lengtes maken en ze tegen ontbinding beschermen door een soort bumper van atomen aan de uiteinden van de kettingen toe te voegen. Deze klasse van verbindingen heeft voldoende chemische stabiliteit en staat bekend als een oligoyne”, legt prof. Dr. Holger Frauenrath van EPFL.
Met behulp van de optische bandafstand
De onderzoekers vervaardigden specifiek twee series oligoynes met verschillende symmetrieën en met maximaal 24 afwisselende drievoudige en enkele bindingen. Met behulp van spectroscopie volgden ze vervolgens de deactivatieprocessen van de relevante moleculen van excitatie met licht tot volledige relaxatie. “ We waren dus in staat om het mechanisme achter het hele deactiveringsproces van de oligoynes te bepalen vanuit een aangeslagen toestand, helemaal terug naar hun oorspronkelijke oorspronkelijke staat, en dankzij de verkregen gegevens konden we een voorspelling doen over de eigenschappen van carbine, ”concludeert prof. dr. Rik R. Tykwinski van de Universiteit van Alberta.
Een belangrijke bevinding was dat de zogenaamde optische band gap eigenlijk veel kleiner is dan eerder werd aangenomen. Band gap is een term uit de halfgeleiderfysica en beschrijft de elektrische geleidbaarheid van kristallen, metalen en halfgeleiders. “Dit is een enorm voordeel”, zegt prof. Guldi. “Hoe kleiner de band gap, hoe minder energie er nodig is om elektriciteit te geleiden.” Silicium bijvoorbeeld, dat wordt gebruikt in microchips en zonnecellen, bezit deze belangrijke eigenschap. Carbyne zou in de toekomst in combinatie met silicium kunnen worden gebruikt vanwege zijn uitstekende fotofysische eigenschappen.
Johannes Zirzlmeier et al, Optische kloof en fundamentele kloof van oligoynes en carbyne, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038 / s41467-020-18496-4
Nature Communications
Geleverd door Universiteit van Erlangen-Neurenberg