Даже без симметрии и кривизны фуллеренов сконструированные плоские фрагменты фуллеренов, которые сохраняли пентагональную субструктуру, демонстрировали те же электроноакцепторные свойства, что и фуллерены.
Кредит: YAP Co., Ltd.

«Наша работа может привести к новым возможностям в широком спектре приложений, таких как полупроводники, устройства фотоэлектрического преобразования, батареи и катализаторы», — говорит руководитель группы Айко Фукадзава из Института комплексных наук о клеточных материалах (iCeMS).

Бакминстерфуллерен (или просто «бакибол») представляет собой молекулу, в которой 60 атомов углерода связаны, образуя сферическую форму. Он был назван в честь структурного сходства с геодезическими куполами, спроектированными знаменитым архитектором Бакминстером Фуллером, и его уникальная структура постоянно привлекала внимание ученых. Бакминстерфуллерен и родственные ему сферические углеродные кластеры с разным числом атомов углерода в просторечии известны как фуллерены по фамилии Фуллера.

Одной из их самых интригующих характеристик является способность принимать электроны, процесс, известный как восстановление. Из-за их электроноакцепторного характера фуллерены и их производные широко исследовались в качестве материалов, переносящих электроны, в органических тонкопленочных транзисторах и органических фотогальванических элементах. Тем не менее, фуллерены представляют собой аномальный класс материалов по сравнению с любыми другими обычными органическими акцепторами электронов из-за их устойчивости к приему нескольких электронов.

Химики-теоретики предложили три возможных фактора, которые могут быть причиной электроноакцепторной способности фуллерена: высокая симметрия всей молекулы, ее атомы углерода с пирамидально расположенными связями и наличие пентагональных субструктур, распределенных среди шестичленных колец.

Команда Киото сосредоточилась на влиянии пятиугольных колец. Они разработали и синтезировали уплощенные фрагменты фуллерена и экспериментально подтвердили, что эти молекулы могут принимать без распада количество электронов, равное количеству пятичленных колец в их структуре.

«Это удивительное открытие подчеркивает решающее значение пентагональной субструктуры для создания стабильных многоэлектронных акцепторных систем», — говорит Фукадзава.

Эксперименты также показали, что фрагменты демонстрируют повышенное поглощение ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного света по сравнению с более ограниченным поглощением самого фуллерена. Это может открыть новые возможности в фотохимии, такие как использование света для инициирования химических реакций или разработка датчиков света или систем на солнечной энергии.

Теперь команда будет изучать возможности их плоских фуллереновых фрагментов в широком спектре приложений, связанных с процессами переноса электронов. Необычно получить такую высокую электроноакцепторную способность в молекулах, состоящих только из углерода, избегая типичного требования ввести другие электроноакцепторные атомы или функциональные группы в каркас на основе углерода. Однако дальнейшее изучение эффектов включения других атомов или химических групп может дать дополнительный контроль и универсальность химических свойств.

«Мы надеемся стать пионерами в науке и технологии того, что мы называем сверхэлектронно-акцепторными углеводородами, используя их высокую степень свободы для изучения эффектов структурных модификаций», — говорит Фукадзава.