"Наша работа может привести к новым возможностям в широком спектре применений, таких как полупроводники, устройства фотоэлектрического преобразования, батареи и катализаторы", - говорит руководитель группы Айко Фукадзава из Института интегрированных наук о клеточных материалах (iCeMS).

Бакминстерфуллерен (или просто "бакибол") - это молекула, в которой 60 атомов углерода связаны между собой, образуя сферическую форму. Он был назван в честь структурного сходства с геодезическими куполами, спроектированными знаменитым архитектором Бакминстером Фуллером, и его уникальная структура постоянно привлекала интерес ученых. Бакминстерфуллерен и родственные ему сферические углеродные кластеры с различным числом атомов углерода в просторечии известны как фуллерены, по фамилии Фуллера. Одной из их наиболее интригующих характеристик является способность принимать электроны - процесс, известный как восстановление. Из-за их способности принимать электроны фуллерены и их производные широко исследовались в качестве материалов, переносящих электроны, в органических тонкопленочных транзисторах и органической фотоэлектрической технике. Тем не менее, фуллерены представляют собой аномальный класс материалов по сравнению с любыми другими обычными органическими акцепторами электронов из-за их способности принимать множество электронов.

Химики-теоретики предложили три возможных фактора, которые могут лежать в основе способности фуллерена принимать электроны: высокая симметрия всей молекулы, ее атомы углерода с пирамидально расположенными связями и наличие пятиугольных подструктур, распределенных между шестичленными кольцами.

Команда из Киото сосредоточилась на влиянии пятиугольных колец. Они сконструировали и синтезировали сплющенные фрагменты фуллерена и экспериментально подтвердили, что эти молекулы могут принимать до равного числа электронов, равного числу пятичленных колец в их структуре, без разложения.

"Это удивительное открытие подчеркивает решающее значение пятиугольной субструктуры для создания стабильных систем, принимающих многоэлектроны", - говорит Фукадзава.

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

Теперь команда изучит возможности, которые открывают их плоские фрагменты фуллерена в широком спектре применений, связанных с процессами переноса электронов. Необычно получать такую высокую способность принимать электроны в молекулах, состоящих только из углерода, избегая типичного требования вводить другие электроноакцепторные атомы или функциональные группы в каркас на основе углерода. Однако продолжение изучения эффектов включения других атомов или химических групп может привести к дополнительному контролю над химическими свойствами и их универсальности.

"Мы надеемся стать пионерами в науке и технологии того, что мы называем углеводородами, поглощающими суперэлектроны, используя преимущества их высокой степени свободы для изучения эффектов структурных модификаций", - говорит Фукадзава.