Kết quả nghiên cứu đã được đăng tải trên tạp chí khoa học có uy tính «Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures».
Carbon là một trong những nguyên tố hóa học phổ biến nhất trên trái đất, carbon vào thành phần của tất cả các hợp chất hữu cơ và vô cơ. Cho đến cuối thế kỷ XX, các nhà khoa học chỉ biết hai dạng thù hình (allotrope) của carbon là kim cương và graphite, nhưng, hiện nay đã khám phá ra nhiều dạng mới của nó đang được sử dụng trong ngành điện tử, dược phẩm, và năng lượng.
Một trong những dạng carbon hứa hẹn nhất là fullerene — những phân tử cấu thành từ các nguyên tử carbon có dạng rỗng chứa từ 20 đến vài trăm nguyên tử cacbon.
Các nhà khoa học phát hiện Fullerene đã được trao Giải Nobel Hóa học vào năm 1996. Hóa ra, mỗi fullerene có thể hoạt động như một thiết bị nano điện tử — ví dụ, như diode hoặc bóng bán dẫn. Do kích thước cực nhỏ, các loại "thiết bị" như vậy rất hiệu quả và có tốc độ vượt trội.
Giai đoạn kế tiếp trong quá trình phát triển các công nghệ fullerene là sử dụng các chất fullerene được biến đổi về mặt hoá học. Một phương pháp phổ biến là "doped fullerene" — thay thế một hoặc nhiều nguyên tử cacbon bằng những nguyên tử của nguyên tố khác. Trong trường hợp này, fullerene duy trì cấu trúc tổng thể, nhưng cấu trúc điện tử và hoạt động hóa học của nó đều thay đổi. Nhờ đó, có thể làm tăng tính biến đổi của doped fullerene và mở rộng khả năng sử dụng nó.
Các nhà khoa học thường sử dụng những nguyên tố láng giềng gần nhất với carbon trong bảng tuần hoàn hóa học để thay thế những nguyên tử cacbon: boron hoặc nitơ vì chúng có các nguyên tử giống với nguyên tử cacbon về khối lượng và kích cỡ. Ngoài ra, doped fullerene hấp phụ thuốc men và chất độc thần kinh, hấp thụ các tạp chất một cách hiệu quả.
Tuy nhiên, trong khi sự quan tâm đến fullerene gia tăng nhanh chóng, các chuyên gia đã phát hiện ra rằng, trong quá trình sản xuất nitrogen-doped fullerene (fullerene pha tạp nitơ) các đồng vị có khuyết tật về cấu trúc và những tính chất khác chiếm tỷ lệ rất cao. Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao cần thiết cho tổng hợp, xuất hiện khuyết tật ống nano carbon là sai hỏng Stone Wales dẫn đến sự mất ổn định của cấu trúc fullerene. Điều quan trọng là, vấn đề này không xuất hiện với boron-doped fullerenes: hóa ra chất này có khả năng chịu nhiệt độ cao.
Hai giáo sư Konstantin Katin và Mikhail Maslov của Khoa Vật lý Chất cô đặc, Viện Công nghệ nano trong Điện tử, Spintronics và Photonics thuộc Đại học Nghiên cứu Hạt nhân Quốc gia (MEPhI) đã đảm nhận nhiệm vụ giải thích tính năng này của boron-doped fullerenes. Trong quá trình nghiên cứu, họ đã chọn fullerene nhỏ nhất, chỉ gồm 20 nguyên tử. Vì có kích thước cực nhỏ, nó là ít ổn định hơn so với các fullerenes khác. Tức là trong fullerene cực nhỏ thể hiện rõ nhất các nguyên nhân dẫn đến việc xuất hiện những khuyết tật.
Sự tương tác giữa các nguyên tử fullerene và sự phân bố các điện tử trong nó được mô tả bằng mô hình toán học đặc biệt dựa trên luật của cơ học lượng tử. Để tính toán, các nhà khoa học đã sử dụng cả gói phần mềm chuyên dụng và các chương trình độc đáo mà họ đã phát triển. Vấn đề lớn nhất là xác định hình dạng "điểm yên ngựa": cấu hình fullerene vào thời điểm khi kích thích nhiệt trở nên không thể đảo ngược được và dẫn đến việc xuất hiện khuyết tật.
Kết quả nghiên cứu của Viện Công nghệ nano trong Điện tử, Spintronics và Photonics thuộc Đại học Nghiên cứu Hạt nhân Quốc gia (MEPhI) cho phép giải thích cơ chế ổn định của doped fullerenes. Trên cơ sở các phương trình cơ lượng tử, các tác giả đã chứng minh rằng, khác với bo, ngay cả một nguyên tử nitơ đơn lẻ làm cho cấu trúc fullerene mất ổn định. Điều này là bởi vì khác với carbon, nguyên tử nitơ có một nguyên tử bổ sung.
"Hóa ra rằng để phá hoại fullerene C20 phải tiêu tốn 4,93 eV năng lượng, còn để phá hoại fullerene C19N chỉ có 2,98 eV. Fullerene với hàm lượng nitơ cao hơn thậm chí còn kém ổn định hơn. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, N-doped fullerene rất nhạy cảm với nhiệt độ cao: nếu nhiệt độ trong lò phản ứng chỉ giảm khoảng 20 ° C thì làm giảm đáng kể tỷ lệ khuyết tật", — ông Konstantin Katin giải thích.
Sau khi kết qủa nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học, nhiều chuyên gia từ các quốc gia khác nhau chuyên nghiên cứu các vấn đề sản xuất và sử dụng doped fullerne đã thể hiện sự quan tâm lớn đến công việc này. Trong những năm tới, các nhà khoa học có thể tạo ra công nghệ để tổng hợp N-doped fullerenes ở nhiệt độ thấp. Điều đó sẽ giúp giải quyết vấn đề đồng vị khuyết tật và đảm bảo khả năng tái tạo tính năng đặc biệt của fullerene.
