p (PhysOrg.com) - Analisando através de um microscópio eletrônico de transmissão (TEM), pesquisadores da Alemanha, Espanha, e o Reino Unido observaram folhas de grafeno se transformando em fulerenos esféricos, mais conhecido como fulerenos, pela primeira vez. O experimento pode lançar luz sobre o processo de como os fulerenos são formados, que até agora permaneceu misterioso na escala atômica. p “Esta é a primeira vez que alguém observa diretamente o mecanismo de formação do fulereno, ”Andrei Khlobystov da Universidade de Nottingham disse PhysOrg.com . “Pouco depois da descoberta do fulereno (exatamente 25 anos atrás), o mecanismo de "cima para baixo" da montagem do fulereno foi proposto. Contudo, logo foi rejeitado em favor de uma infinidade de diferentes mecanismos "de baixo para cima", principalmente porque as pessoas não conseguiam entender como um floco de grafeno poderia formar um fulereno e porque não tinham meios de observar a formação do fulereno in situ. ”

p Como os cientistas relatam em um estudo recente publicado em Química da Natureza , existem quatro etapas principais envolvidas neste processo de formação de fulereno de cima para baixo, o que pode ser explicado pela modelagem química quântica. O primeiro passo crítico é a perda de átomos de carbono na borda da folha de grafeno. Como os átomos de carbono na borda do grafeno estão conectados por apenas duas ligações ao resto da estrutura, os pesquisadores poderiam usar o feixe de elétrons de alta energia do microscópio (ou "e-feixe") para separar os átomos, um por um. Enquanto exposto ao feixe eletrônico, as bordas da folha de grafeno parecem estar continuamente mudando de forma.

p A perda de átomos de carbono na borda do grafeno é a etapa mais crucial do processo, os cientistas explicam, uma vez que desestabiliza a estrutura e dispara as três etapas subsequentes. O aumento no número de ligações de carbono penduradas na borda do grafeno causa a formação de pentágonos na borda do grafeno, que é seguido pela curvatura do grafeno em uma forma de tigela. Ambos os processos são termodinamicamente favoráveis, uma vez que trazem os átomos de carbono na borda mais próximos uns dos outros, permitindo-lhes formar laços entre si.

p Na quarta e última etapa, as ligações de carbono fazem com que o grafeno curvo "feche" suas bordas abertas e forme uma bola de fulereno semelhante a uma gaiola. Como o processo de compactação reduz o número de títulos pendentes, o fulereno esférico representa a configuração mais estável dos átomos de carbono nessas condições. Uma vez que as bordas estão completamente seladas, nenhum outro átomo de carbono pode ser perdido, e o fulereno recém-criado permanece intacto sob a viga e.

p Embora os fulerenos esféricos já possam ser gerados com altos rendimentos a partir do grafite (que é feito de muitas folhas de grafeno empilhadas), até agora, os cientistas não compreenderam totalmente os mecanismos subjacentes à sua formação. Ao observar o processo em tempo real neste estudo, os pesquisadores conseguiram identificar as mudanças estruturais pelas quais o grafeno passa para ficar cada vez mais redondo e formar um fulereno perfeito. Os resultados ajudam a desvendar o mistério da formação do fulereno, explicando, por exemplo, como a ablação a laser funciona como um método de produção de fulereno:o feixe eletrônico do microscópio, semelhante a um feixe de laser, fornece a energia para quebrar as ligações de carbono e serve como a etapa inicial crítica no processo de formação.

p “A chave para a visualização direta da formação do fulereno é (i) flocos de grafeno atomicamente finos montados perpendicularmente ao feixe de elétrons; (ii) TEM de alta resolução com correção de aberração, permitindo imagens com resolução atômica; e (iii) análise cuidadosa da evolução do grafeno para o fulereno, simulação de imagem e correlação dos dados experimentais com cálculos teóricos, ”Khlobystov disse. “É por isso que nosso estudo descobre muito mais do que estudos anteriores de TEM.”

p Além disso, os resultados ajudam a explicar a alta abundância de C ₆₀ e C ₇₀ fulerenos (fulerenos compostos de 60 ou 70 átomos de carbono) encontrados em diferentes métodos de produção de fulerenos. Os pesquisadores descobriram que um grande floco de grafeno inicial (mais de 100 átomos de carbono) impõe uma penalidade de energia significativa durante a etapa de curva, de modo que suas bordas continuem a ser lascadas até que seja pequeno o suficiente para se curvar. Por outro lado, flocos de grafeno muito pequenos (menos de 60 átomos) sofrem tensão excessiva nas ligações de carbono durante a etapa de curvatura, impedindo-os de fechar. Portanto, para permitir o processo de formação conduzido termodinamicamente, os fulerenos acabam tendo uma faixa estreita de diâmetros com média de cerca de um nanômetro, que corresponde a 60-100 átomos de carbono.

p “Compreender o processo de formação do fulereno nos ensina sobre a conexão fundamental entre as diferentes formas de carbono, ”Khlobystov disse. "Também, ele abre novos caminhos para a fabricação de nanoestruturas moleculares usando o e-beam. Esta é uma nova maneira de fazer química e estudar moléculas! ” p Copyright 2010 PhysOrg.com.
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