ストーン・ウェールズ欠陥

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、つまり、辺を共有する2つの環と、頂点が互いに結合した2つの別々の環との間の変換を伴います。

2Dシリカ（HBS、中央）とグラフェン（下）のストーン・ウェールズ欠陥：モデルとTEM画像。[ 2 ]
フラーレンのストーン・ウェールズ欠陥

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、ピレン様領域の隣接する4つの6員環が、隣接する2つの環を結合する結合が回転することで、2つの5員環と2つの7員環に変化します。これらの材料において、この転位は熱的、[ 3 ]化学的、電気的、および機械的特性に重要な影響を及ぼす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、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。彼らは1986年にフラーレンの異性化に関する論文[ 5 ]でこの欠陥を報告しました。しかし、同様の欠陥は、それよりずっと以前に、1952年にGJ・ディエンスがグラファイトの拡散機構に関する論文[ 6 ]で、そしてその後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 ]で報告していました。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われることもあります。

構造的影響

欠陥は走査トンネル顕微鏡や透過型電子顕微鏡[ 8 ]を用いて画像化されており、様々な振動分光法を用いて判定することができる。

フラーレンやカーボンナノチューブの合体過程は、このような転位の連続によって起こる可能性があると提唱されている。この欠陥が、カーボンナノチューブにおけるナノスケールの可塑性と脆性-延性転移の原因であると考えられている。

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、様々なプロセスによって、予想されるよりもかなり低いエネルギーで欠陥が生成されることもある。[ 8 ]

この転位により、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増大する構造が形成される。その結果、欠陥は化学反応性が高い領域を形成し、求核剤として作用したり、水素原子との結合に好ましい部位を形成したりする。[ 10 ]これらの欠陥の水素に対する高い親和性とバルク材料の大きな表面積が相まって、これらの欠陥は炭素ナノ材料を水素貯蔵に利用する上で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ことで、特定の経路に沿った伝導性を高めるようにカーボンナノチューブ回路をプログラムすることができる。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、入射電子が特定の軌道に沿って方向転換される。

参考文献

  1. ^ Brayfindley, Evangelina; Irace, Erica E.; Castro, Claire; Karney, William L. (2015). 「多環芳香族炭化水素におけるストーン–ウェールズ転位：計算論的研究」. 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). 「二層シリカおよびグラフェンの欠陥：多様な六角形二次元系に共通する傾向」. Scientific Reports . 3 : 3482. Bibcode : 2013NatSR...3E3482B . doi : 10.1038/srep03482 . PMC 3863822. PMID 24336488 .  
  3. ^ 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 .
  4. ^ a b 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 .
  5. ^ Stone, AJ; Wales, DJ (1986). 「イコサヘドラルC 60および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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ Thrower, PA (1969). 「透過型電子顕微鏡によるグラファイト中の欠陥の研究」.炭素の化学と物理学. 5 : 217–320 .
  8. ^ a b Kotakoski, J.; Meyer, JC; Kurasch, S.; Santos-Cottin, D.; Kaiser, U.; Krasheninnikov, AV (2011). 「電子照射による炭素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 . 
  9. ^ 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 .
  10. ^ a b 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 .
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