شظايا الفوليرين المسطحة جذابة للإلكترونات

يقول قائد المجموعة إيكو فوكازاوا من معهد علوم المواد الخلوية المتكاملة (iCeMS): 'يمكن أن يؤدي عملنا إلى فرص جديدة في مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل أشباه الموصلات وأجهزة التحويل الكهروضوئية والبطاريات والمحفزات'.

بكمنسترفوليرين (أو ببساطة 'كرة الباكي') هو جزيء يتم فيه ربط 60 ذرة كربون لتكوين شكل كروي. تم تسميتها على اسم التشابه الهيكلي مع القباب الجيوديسية التي صممها المهندس المعماري الشهير بكمينستر فولر، وقد جذب هيكلها الفريد اهتمام العلماء باستمرار. يُعرف البكمنسترفوليرين ومجموعات الكربون الكروية المرتبطة بأعداد مختلفة من ذرات الكربون بالعامية باسم الفوليرين، نسبة إلى لقب فولر. واحدة من أكثر خصائصها إثارة للاهتمام هي القدرة على قبول الإلكترونات، وهي عملية تعرف باسم الاختزال. نظرًا لطبيعتها التي تقبل الإلكترون، فقد تمت دراسة الفوليرين ومشتقاته على نطاق واسع كمواد ناقلة للإلكترون في ترانزستورات الأغشية الرقيقة العضوية والخلايا الكهروضوئية العضوية. ومع ذلك، فإن الفوليرين عبارة عن فئة شاذة من المواد مقارنة بأي مواد متقبلة للإلكترونات العضوية التقليدية الأخرى، وذلك بسبب قوتها تجاه قبول إلكترونات متعددة.

اقترح الكيميائيون النظريون ثلاثة عوامل محتملة قد تكون وراء قدرة الفوليرين على قبول الإلكترون: التماثل العالي للجزيء بأكمله، وذرات الكربون مع روابط مرتبة هرمية، ووجود هياكل أساسية خماسية موزعة على حلقات سداسية الأعضاء.

ركز فريق كيوتو على تأثير الحلقات الخماسية. لقد صمموا وصنعوا شظايا مسطحة من الفوليرين، وأكدوا تجريبيا أن هذه الجزيئات يمكن أن تقبل ما يصل إلى عدد مساو من الإلكترونات مثل عدد الحلقات الخماسية في بنيتها دون تحلل.

يقول فوكازاوا: 'يسلط هذا الاكتشاف المفاجئ الضوء على الأهمية الحاسمة للبنية التحتية الخماسية لتوليد أنظمة قبول مستقرة متعددة الإلكترونات'.

كشفت التجارب أيضًا أن الأجزاء تعرض امتصاصًا معززًا للأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة مقارنة بامتصاص الفوليرين نفسه بشكل محدود. قد يفتح هذا إمكانيات جديدة في الكيمياء الضوئية، مثل استخدام الضوء لبدء التفاعلات الكيميائية أو تطوير أجهزة استشعار للضوء أو أنظمة تعمل بالطاقة الشمسية.

سوف يستكشف الفريق الآن الإمكانيات التي تحملها شظايا الفوليرين المسطحة في مجموعة واسعة من التطبيقات المرتبطة بعمليات نقل الإلكترون. ومن غير المعتاد الحصول على مثل هذه القدرة العالية على قبول الإلكترون في الجزيئات المكونة من الكربون فقط، مما يؤدي إلى تجنب المتطلب النموذجي لإدخال ذرات أو مجموعات وظيفية أخرى تسحب الإلكترون في إطار قائم على الكربون. ومع ذلك، فإن الاستمرار في استكشاف تأثيرات دمج ذرات أو مجموعات كيميائية أخرى، قد يؤدي إلى تحكم إضافي وتنوع في الخواص الكيميائية.

يقول فوكازاوا: 'نأمل أن نكون روادًا في مجال العلوم والتكنولوجيا فيما نسميه الهيدروكربونات فائقة القبول للإلكترونات، من خلال الاستفادة من درجة حريتها العالية في استكشاف تأثيرات التعديلات الهيكلية'.