Unik kartläggning av hur kolstrukturer bildas

Med en ny metod har en fysiker vid Umeå universitet skapat de första kartorna som i detalj visar hur och när kolmolekyler med strukturen C₆₀ bildar polymerer, i form av kedjor och plan, vid behandling under höga temperaturer och tryck. Resultaten har publicerats i tidskriften Scientific Reports.

Fullerener är en viktig klass av mycket stabila kolmolekyler, vilka kan vara formade som "fotbollar", C₆₀. Dessa bollar har intressanta egenskaper för nanoteknikområdet och i cirka tjugo år har man vetat att man under högt tryck kan skapa kemiska bindningar mellan dessa molekyler så att de bildar kedjor eller plan, så kallat polymeriserat kol. Forskare har genomfört tusentals högtrycksexperiment för att studera detta fenomen eftersom vissa typer av sådana polymeriserade fotbollar har rapporterats vara hårdare än diamant, kunna användas för transistortillverkning eller ha andra intressanta egenskaper.

Trots detta saknas fortfarande både helhetssyn och detaljkunskap, eftersom varje mätning bara visat vad som hänt när materialet behandlats en viss bestämd tidsrymd vid ett visst tryck och en viss temperatur.

Med en ny, unik metod har Bertil Sundqvist, professor emeritus på institutionen för fysik vid Umeå universitet, skapat de första noggranna kartorna över vad som händer med C₆₀ när det behandlas under en timme vid temperaturer från +100^oC till +477^oC (373K till 750 K) under tryck upp till 2.2 GPa (22 000 atmosfärer, det vill säga mer än 20 gånger det tryck man finner i jordens djupaste hav).

– Genom att värma ena änden av en stav kan man vid ett visst tryck behandla C₆₀ vid alla temperaturer inom ett visst område samtidigt, och eftersom temperaturen mäts under behandlingen vet man vid vilken temperatur varje punkt behandlats, förklarar Bertil Sundqvist.

Provet kan sedan analyseras med Ramanspektroskopi som gör det möjligt att bestämma exakt hur många bindningar som skapats till varje molekyl. På så sätt fås en temperaturprofil vid varje tryck, och genom att kombinera profilerna kan en tvådimensionell karta skapas. För att framställa kartorna krävdes tillsammans bara 16 lyckade högtrycksexperiment.

- Med hjälp av mina kartor kan man lätt hitta lämpliga tillverkningsvillkor för att skapa polymerer med det antal bindningar man önskar. Kartorna kan också vara utgångspunkt för att skapa bättre teoretiska kunskaper och ökad förståelse för mekanismerna bakom polymeriseringen, säger Bertil Sundqvist.

Molekylen C₆₀, en så kallad fulleren med 60 kolatomer, har en rad intressanta kemiska och fysikaliska egenskaper, och upptäckten av den belönades med Nobelpriset i kemi år 1996.

Originalpublikation:

Bertil Sundqvist: Mapping intermolecular bonding in C_60. Scientific Reports 4 (Nature Publications). Article number: 6171. Doi: 10.1038/srep06171

http://www.nature.com/srep/2014/140822/srep06171/full/srep06171.html

För mer information, kontakta gärna:

Bertil Sundqvist, institutionen för fysik vid Umeå universitet
E-post: bertil.sundqvist@physics.umu.se

Bildtext: Om varje molekyl har en bindning skapas molekylpar, med två bindningar fås kedjor, med tre förgrenade kedjor, och fyra ger tvådimensionella plan. Bilden visar en karta över hur stor andel av molekylerna i materialet som bildat molekylpar vid olika tryck (GPa) och temperaturer (K); motsvarande kartor för tillverkning av molekylära kedjor och tvådimensionella plan har också skapats. 350 K motsvarar 77 grader Celcius. Bild: Nature publishing groups publicerad under Creative Commons licence. http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/