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ストーン・ウェールズ欠陥は、2つのπ結合炭素原子の接続性が変化し、結合の中点に対して90°回転する結晶学的欠陥です。 [1]この反応は、一般的にナフタレンのような構造からフルバレンのような構造への変換を伴います。つまり、2つの環が1つの辺を共有する状態と、頂点が互いに結合した2つの別々の環の状態です。
この反応はカーボンナノチューブ、グラフェン、および類似の炭素骨格上で起こり、ピレンのような領域の隣接する4つの6員環は、隣接する2つの環を結合する結合が回転すると、2つの5員環と2つの7員環に変化します。これらの材料では、転位は熱的、[3]、化学的、電気的、および機械的特性に重要な影響を与えると考えられています。[4]この転位はピラシクレン転位の一例です。
歴史
この欠陥は、1986年にフラーレンの異性化に関する論文[5]で説明したケンブリッジ大学のアンソニー・ストーンとデイビッド・J・ウェールズにちなんで名付けられました。しかし、同様の欠陥は、はるか以前に1952年にGJ・ディエンスがグラファイトの拡散メカニズムに関する論文[6]で、またその後1969年にピーター・スローワーがグラファイト の欠陥に関する論文[7]で説明していました。このため、ストーン・スローワー・ウェールズ欠陥という用語が使用されることもあります。
構造的影響
欠陥は走査型トンネル顕微鏡[要出典]と透過型電子顕微鏡[8]を使用して画像化されており、さまざまな振動分光法を使用して決定することができます。[要出典]
フラーレンやカーボンナノチューブの凝集プロセスは、このような再配置の連続によって起こる可能性があると考えられています。 [引用が必要]この欠陥は、カーボンナノチューブのナノスケールの可塑性と脆性-延性遷移の原因であると考えられています。[引用が必要]
化学詳細
ストーン・ウェールズ欠陥に見られる結合回転を与える単純な原子運動の活性化エネルギーはかなり高く、数電子ボルトの障壁となっている。[4] [9]しかし、さまざまなプロセスによって、予想されるよりも大幅に低いエネルギーで欠陥が生成される可能性がある。[8]
この再配置により、関与するsp 2原子間の共鳴安定性が低下し、局所構造の歪みエネルギーが大きくなる構造が形成される。その結果、欠陥によって化学反応性がより高くなる領域が形成され、求核剤として作用したり[要出典]、水素原子と結合するための優先部位が形成されたりする。[10]これらの欠陥の水素に対する親和性が高く、バルク材料の表面積が大きいことから、これらの欠陥は、水素貯蔵用のカーボンナノマテリアルの使用において重要な側面となる可能性がある。[10]カーボンナノチューブネットワークに沿って欠陥を組み込むと、カーボンナノチューブ回路をプログラムして、特定の経路に沿った伝導性を高めることができる。[要出典]このシナリオでは、欠陥によって電荷の非局在化が起こり、入ってくる電子が特定の軌道に沿ってリダイレクトされる。
参考文献
- ^ Brayfindley, Evangelina; Irace, Erica E.; Castro, Claire; Karney, William L. (2015). 「多環芳香族炭化水素のストーン–ウェールズ転位：計算研究」J. Org. Chem . 80 (8): 3825–3831. doi :10.1021/acs.joc.5b00066. PMID 25843555.
- ^ Björkman, T; Kurasch, S; Lehtinen, O; Kotakoski, J; Yazyev, OV; Srivastava, A; Skakalova, V; Smet, JH; Kaiser, U; Krasheninnikov, AV (2013). 「二層シリカとグラフェンの欠陥: 多様な六角形二次元システムに共通する傾向」. Scientific Reports . 3 : 3482. Bibcode :2013NatSR...3E3482B. doi :10.1038/srep03482. PMC 3863822. PMID 24336488.
- ^ Zhang, Kaiwang; Stocks, G Malcolm; Zhong, Jianxin (2007年6月). 「カーボンナノチューブの溶融と前溶融」.ナノテクノロジー. 18 (28): 285703. Bibcode :2007Nanot..18B5703Z. doi :10.1088/0957-4484/18/28/285703 . 2021年8月31日閲覧。
- ^ ab Zhou, LG; Shi, San-Qiang (2003). 「カーボンナノチューブにおけるストーン・ウェールズ欠陥の形成エネルギー」(PDF) . Appl. Phys. Lett . 83 (6): 1222–1225. Bibcode :2003ApPhL..83.1222Z. doi :10.1063/1.1599961. hdl : 10397/4230 .
- ^ Stone, AJ; Wales, DJ (1986). 「イコサヘドラル C 60およびいくつかの関連構造の理論的研究」. Chemical Physics Letters . 128 (5–6): 501–503. Bibcode :1986CPL...128..501S. doi :10.1016/0009-2614(86)80661-3.
- ^ Dienes, GJ (1952). 「グラファイトにおける自己拡散のメカニズム」. Journal of Applied Physics . 23 (11): 1194–1200. Bibcode :1952JAP....23.1194D. doi :10.1063/1.1702030. hdl : 2027/mdp.39015095100155 .
- ^ Thrower, PA (1969). 「透過型電子顕微鏡によるグラファイト欠陥の研究」.炭素化学と物理学. 5 : 217–320.
- ^ ab Kotakoski, J.; Meyer, JC; Kurasch, S.; Santos-Cottin, D.; Kaiser, U.; Krasheninnikov, AV (2011). 「電子照射によるカーボンナノ構造のストーン–ウェールズ型変態」. Phys. Rev. B . 83 (24): 245420–245433. arXiv : 1105.1617 . Bibcode :2011PhRvB..83x5420K. doi :10.1103/PhysRevB.83.245420. S2CID 15204799.
- ^ Fowler, Patrick W.; Baker, Jon (1992). 「Stone–Walesピラシレン変換のエネルギー論」J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 (10): 1665–1666. doi :10.1039/P29920001665.
- ^ ab Letardi, Sara; Celino, Massimo; Cleri, Fabrizio; Rosato, Vittorio (2002). 「グラファイト中のストーン・ウェールズ欠陥への原子状水素吸着」.表面科学. 496 (1–2): 33–38. Bibcode :2002SurSc.496...33L. doi :10.1016/S0039-6028(01)01437-6.
外部リンク
ウィキメディア・コモンズにおけるストーン・ウェールズの欠陥に関するメディア