Семья наноуглеродных материалов пополнилась новым членом – это первый образец неплоского нанографена. Исследователи из Бостонского Колледжа и Университета Нагойи смогли синтезировать графен с неплоской, искаженной структурой за счет введения в субъединицу графена циклов, членность которых превышает шесть.

Было обнаружено, что необычная структура отличается необычными оптическими и электронными свойствами, которые отличают ее от других представителей материалов, образованных только углеродом. Возможность контролировать степень искажения планарности графеновой системы за счет введения дополнительных циклов с нечетным количеством атомов может стать способом для настройки свойств графеноподобных материалов для их использования в оптоэлектронных устройствах будущего.

Искаженный нанографен обладает интересными оптическими и электронными свойствами. (Рисунок из Nat. Chem., 2013, DOI: 10.1038/nchem.1704)

Ключом к образованию неплоского нанографена является инкорпорирование в гексагональную кристаллическую структуру графена пяти семичленных циклов – для этого применялся разработанный ранее метод построения больших по размеру субъединиц графена по методу «снизу вверх» (получение наночастиц за счет объединения атомов и молекул). Воодушевленные достигнутыми ранее успехами в получении полициклических ароматических углеводородов [polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)] исследователи решили использовать уже отработанную технику для арилирования чашеобразного полициклического ароматического углеводорода кораннулена за счет активации связей C–H.

Было обнаружено, что реакция не останавливается на образовании ожидавшегося продукта пятикратного аннелирования, а продолжается, приводя к образованию фрагмента искаженного из плоскости нанографена, содержащего 80 атомов углерода, объединенных в 26 циклов. Участник проекта со стороны Японии, Кеничиро Итами (Kenichiro Itami) отмечает, что результаты работы можно рассмтаривать как открытие – первоначально никто не ожидал, что семичленные циклы так просто образуются в мягких условиях.

В то время, как положительная кривизна, обусловленная введением пятичленных циклов, хорошо известна для фуллеренов и их аналогов, семичленные циклы обуславливают отрицательную кривизну, которая приводит не только к искажению структуры графенового листка, но и к изменению их свойств по сравнению с планарными аналогами.

Искаженный графен. (Рисунок из Nat. Chem., 2013, DOI: 10.1038/nchem.1704)

Как отмечает Дэвид Драболд (David Drabold) из Университета Огайо, результаты экспериментов находятся в хорошем соответствии с теоретическими предсказаниями. Он подчеркивает, что в этой элегантной работе впервые было проведено экспериментальное исследование влияние циклов с нечетным количеством атомов углерода на свойства небольшого фрагмента аморфного графена.

Джай Зигель (Jay Siegel) из Университета Цюриха дополнительно подчеркивает, что несомненная ценность этой работы заключается еще и в том, что новый тип нанографена можно получить из кораннулена, вещества, коммерчески доступного в килограммовых количествах. Он уверен, что электронные и оптические свойства нового материала позволят в перспективе использовать его для изготовления светоизлучающих диодов, солнечных батарей или фотогальванических элементов.

Лоуренс Скотт (Lawrence Scott), представляющий американскую часть исследовательской группы, заявляет, что значение открытия не только в получении первого образца искаженного нанографена – теперь, когда стал известен способ внедрения семичленных циклов в двухмерные кристаллические решетки графена, появилась надежда, что этот способ поможет пополнить семью наноуглеродных материалов новыми членами.