stringtranslate.com

Дефект Стоуна–Уэйлса

Дефект Стоуна-Уэйлса — это кристаллографический дефект , который включает изменение связности двух π-связанных атомов углерода , что приводит к их повороту на 90° относительно средней точки их связи. [1] Реакция обычно включает преобразование структуры, подобной нафталину, в структуру, подобную фульвалену , то есть два кольца, которые имеют общее ребро, по сравнению с двумя отдельными кольцами, вершины которых связаны друг с другом.

Дефект Стоуна–Уэйлса в двумерном кремнии (HBS, посередине) и графене (внизу): модель и изображения, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа . [2]

Реакция происходит на углеродных нанотрубках , графене и подобных углеродных каркасах, где четыре соседних шестичленных кольца пирен -подобной области преобразуются в два пятичленных кольца и два семичленных кольца, когда связь, объединяющая два соседних кольца, вращается. В этих материалах перегруппировка, как полагают, имеет важные последствия для термических, [3] химических, электрических и механических свойств. [4] Перегруппировка является примером перегруппировки пирациклена.

История

Дефект назван в честь Энтони Стоуна и Дэвида Дж. Уэйлса из Кембриджского университета , которые описали его в статье 1986 года [ 5] об изомеризации фуллеренов . Однако аналогичный дефект был описан гораздо раньше Г. Дж. Динесом в 1952 году в статье о механизмах диффузии в графите [6] и позднее в 1969 году в статье о дефектах в графите Питером Троуэром . [7] По этой причине иногда используется термин дефект Стоуна–Троуэра–Уэйлса .

Структурные эффекты

Дефекты были визуализированы с помощью сканирующей туннельной микроскопии [ требуется ссылка ] и просвечивающей электронной микроскопии [8] и могут быть определены с помощью различных методов колебательной спектроскопии . [ требуется ссылка ]

Было высказано предположение, что процесс коалесценции фуллеренов или углеродных нанотрубок может происходить посредством последовательности таких перестроек. [ необходима цитата ] Считается, что этот дефект отвечает за пластичность в наномасштабе и хрупко-пластичные переходы в углеродных нанотрубках. [ необходима цитата ]

Химические данные

Энергия активации для простого атомного движения, которое дает вращение связи, видимое в дефектах Стоуна-Уэйлса, довольно высока — барьер в несколько электронвольт . [4] [9] Однако различные процессы могут создавать дефекты при существенно более низких энергиях, чем можно было бы ожидать. [8]

Перестройка создает структуру с меньшей резонансной стабилизацией среди вовлеченных атомов sp 2 и более высокой энергией деформации в локальной структуре. В результате дефект создает область с большей химической реакционной способностью, включая действие в качестве нуклеофила [ требуется ссылка ] и создание предпочтительного места для связывания с атомами водорода. [10] Высокое сродство этих дефектов к водороду в сочетании с большой площадью поверхности объемного материала может сделать эти дефекты важным аспектом в использовании углеродных наноматериалов для хранения водорода. [10] Включение дефектов вдоль сети углеродных нанотрубок может запрограммировать цепь углеродных нанотрубок на повышение проводимости по определенному пути. [ требуется ссылка ] В этом сценарии дефекты приводят к делокализации заряда, которая перенаправляет входящий электрон по заданной траектории.

Ссылки

  1. ^ Brayfindley, Evangelina; Irace, Erica E.; Castro, Claire; Karney, William L. (2015). «Перегруппировки Стоуна–Уэйлса в полициклических ароматических углеводородах: вычислительное исследование». J. Org. Chem . 80 (8): 3825–3831. doi :10.1021/acs.joc.5b00066. PMID  25843555.
  2. ^ Björkman, T; Kurasch, S; Lehtinen, O; Kotakoski, J; Yazyev, OV; Srivastava, A; Skakalova, V; Smet, JH; Kaiser, U; Krasheninnikov, AV (2013). "Дефекты в двухслойном кремнии и графене: общие тенденции в различных гексагональных двумерных системах". Scientific Reports . 3 : 3482. Bibcode :2013NatSR...3E3482B. doi :10.1038/srep03482. PMC 3863822 . PMID  24336488. 
  3. ^ Чжан, Кайванг; Стокс, Г. Малкольм; Чжун, Цзяньсинь (июнь 2007 г.). «Плавление и предварительное плавление углеродных нанотрубок». Нанотехнология . 18 (28): 285703. Bibcode : 2007Nanot..18B5703Z. doi : 10.1088/0957-4484/18/28/285703 . Получено 31 августа 2021 г.
  4. ^ ab Zhou, LG; Shi, San-Qiang (2003). "Энергия образования дефектов Стоуна–Уэйлса в углеродных нанотрубках" (PDF) . Appl. Phys. Lett . 83 (6): 1222–1225. Bibcode :2003ApPhL..83.1222Z. doi :10.1063/1.1599961. hdl : 10397/4230 .
  5. ^ Стоун, А. Дж.; Уэйлс, Д. Дж. (1986). «Теоретические исследования икосаэдрического C 60 и некоторых родственных структур». Chemical Physics Letters . 128 (5–6): 501–503. Bibcode : 1986CPL...128..501S. doi : 10.1016/0009-2614(86)80661-3.
  6. ^ Диенес, Г. Дж. (1952). «Механизм самодиффузии в графите». Журнал прикладной физики . 23 (11): 1194–1200. Bibcode :1952JAP....23.1194D. doi :10.1063/1.1702030. hdl : 2027/mdp.39015095100155 .
  7. ^ Троуэр, П.А. (1969). «Изучение дефектов в графите с помощью просвечивающей электронной микроскопии». Химия и физика углерода . 5 : 217–320.
  8. ^ ab Kotakoski, J.; Meyer, JC; Kurasch, S.; Santos-Cottin, D.; Kaiser, U.; Krasheninnikov, AV (2011). «Преобразования типа Стоуна–Уэйлса в углеродных наноструктурах, вызванные электронным облучением». Phys. Rev. B . 83 (24): 245420–245433. arXiv : 1105.1617 . Bibcode :2011PhRvB..83x5420K. doi :10.1103/PhysRevB.83.245420. S2CID  15204799.
  9. ^ Фаулер, Патрик В.; Бейкер, Джон (1992). «Энергетика превращения пирацилена Стоуна–Уэйлса». J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 (10): 1665–1666. doi :10.1039/P29920001665.
  10. ^ ab Летарди, Сара; Селино, Массимо; Клери, Фабрицио; Розато, Витторио (2002). «Адсорбция атомарного водорода на дефекте Стоуна–Уэйлса в графите». Surface Science . 496 (1–2): 33–38. Bibcode :2002SurSc.496...33L. doi :10.1016/S0039-6028(01)01437-6.

Внешние ссылки