전자에 매력을 느끼는 편평한 풀러렌 조각

iCeMS(통합 세포 재료 과학 연구소)의 그룹 리더인 Aiko Fukazawa는 '우리의 연구는 반도체, 광전 변환 장치, 배터리 및 촉매와 같은 광범위한 응용 분야에서 새로운 기회로 이어질 수 있습니다'라고 말했습니다.

버크민스터풀러렌(또는 간단히 '버키볼')은 60개의 탄소 원자가 결합되어 구형을 형성하는 분자입니다. 유명한 건축가인 버크민스터 풀러(Buckminster Fuller)가 설계한 측지 돔과 구조적 유사성을 따서 명명되었으며, 그 독특한 구조는 지속적으로 과학자들의 관심을 끌었습니다. 벅민스터풀러렌과 탄소 원자 수가 다른 관련 구형 탄소 클러스터는 풀러의 성을 따서 구어체로 풀러렌으로 알려져 있습니다. 가장 흥미로운 특징 중 하나는 환원이라고 알려진 과정인 전자를 수용하는 능력입니다. 전자를 수용하는 특성으로 인해 풀러렌과 그 파생물은 유기 박막 트랜지스터 및 유기 광전지의 전자 수송 재료로 광범위하게 연구되었습니다. 그럼에도 불구하고 풀러렌은 여러 전자를 수용하는 견고성으로 인해 다른 기존 유기 전자 수용체와 비교할 때 변칙적인 종류의 재료입니다.

이론 화학자들은 풀러렌의 전자 수용 능력 뒤에 있을 수 있는 세 가지 가능한 요인, 즉 전체 분자의 높은 대칭성, 피라미드형으로 배열된 결합을 가진 탄소 원자, 6원 고리에 분포된 오각형 하위 구조의 존재를 제안했습니다.

교토팀은 오각형 고리의 영향에 주목했습니다. 그들은 편평한 풀러렌 조각을 설계하고 합성했으며, 이 분자가 분해되지 않고 구조의 5원 고리 수와 동일한 수의 전자를 수용할 수 있음을 실험적으로 확인했습니다.

'이 놀라운 발견은 안정적인 다중 전자 수용 시스템을 생성하기 위한 오각형 하부 구조의 결정적인 중요성을 강조합니다'라고 Fukazawa는 말합니다.

또한 실험을 통해 이 조각은 풀러렌 자체에 의한 더 제한된 흡광도에 비해 자외선, 가시광선, 근적외선의 향상된 흡광도를 나타내는 것으로 나타났습니다. 이는 빛을 사용하여 화학 반응을 시작하거나 광 센서 또는 태양열 발전 시스템을 개발하는 등 광화학 분야에 새로운 가능성을 열어줄 수 있습니다.

이제 팀은 전자 이동 프로세스와 관련된 다양한 응용 분야에서 편평한 풀러렌 조각이 보유할 수 있는 가능성을 탐색할 것입니다. 탄소 기반 골격에 다른 전자를 끄는 원자나 작용기를 도입해야 하는 일반적인 요구 사항을 피하면서 탄소로만 구성된 분자에서 이러한 높은 전자 수용 능력을 얻는 것은 드문 일입니다. 그러나 다른 원자나 화학 그룹을 통합하는 효과를 계속 탐구하면 화학적 특성에 대한 추가 제어 및 다양성을 얻을 수 있습니다.

Fukazawa는 '우리는 구조적 변형의 효과를 탐구하기 위해 높은 자유도를 활용함으로써 초전자 수용 탄화수소라고 불리는 과학 및 기술을 개척하기를 희망합니다'라고 말했습니다.