Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel
Physics 1
Department or equivalent
Experimental Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants
Bortel, Gábor Kamarás, Katalin Kováts, Éva
Starting date
2008-06-01
Closing date
2012-12-31
Funding (in million HUF)
4.041
FTE (full time equivalent)
6.76
state
closed project
Summary in Hungarian
A közelmúltban sikerült előállítanunk a molekulakristályok új családjának, a fullerén-kubán rendszer rotor-sztátor fázisainak első néhány tagját. Az új anyagokban az egymást kiegészítő molekuláris felületek tökéletes illeszkedése az orientációsan rendezett és plasztikus kristályokétól egyaránt eltérő, szokatlan dinamikát eredményez: a fullerének szabadon forognak az álló kubán molekulák alkotta molekuláris csapágyakban. Magasabb hőmérsékleten a kristályok topokémiai reakciók során nagy stabilitású kopolimerekké alakulnak. Jelen kutatási terv célkitűzése az anyagcsalád módszeres kifejlesztése, a szerkezet, a dinamika és a fizikai és kémiai tulajdonságok minél jobb megértése. A komponensek méretének és alakjának változtatásával rokon szerkezetű szupramolekuláris kristályok egész sorozatát állítjuk elő. Ezáltal előre tudjuk tervezni a szupramolekuláris kölcsönhatásokat, valamint azokkal párhuzamosan a rotor-sztátor sajátosságokat. Meghatározzuk az új anyagok kristályszerkezetét, valamint megpróbáljuk összeállítani a fullerén-kubán rendszer fázisdiagramját. Megpróbáljuk a rotor-sztátor anyagokat az orientációsan rendezett és a plasztikus kristályok között elhelyezkedő, új orientációs mezomorf fázisokként értelmezni. Megvalósítjuk a fullerén-kubán kristályok topokémiai kopolimerizációját, meghatározzuk a monomer egységek molekulaszerkezetét, továbbá tanulmányozzuk a polimerek optikai és mechanikai tulajdonságait.
Summary
Recently we succeeded in the preparation of the first few members of a new family of molecular crystals, the rotor-stator phases of the fullerene-cubane system. In the new materials the perfect match of the complementary molecular surfaces gives rise to unusual dynamics, different from both the orientationally ordered and the plastic crystals: the fullerenes freely rotate in the molecular bearings of static cubane molecules. At elevated temperatures the crystals transform to high-stability copolymers via topochemical reactions. The objectives of the present research project are the systematic development of this family of materials, the better understanding of the structure, the dynamics and the physical and chemical properties. We prepare a series of related supramolecular crystals by the modification of the sizes and the shapes of the components. Thus, we can design the supramolecular interaction, and the rotor-stator characteristics, simultaneously. We detemine the crystal structure of the new materials and try to construct the phase diagram of the fullerene-cubane system. We attempt to explain the rotor-stator materials in terms of new orientational mesomorphic phases in between the orientationally ordered and the plastic crystals. We carry out the topochemical copolymerization of the fullerene-cubane crystals, determine the molecular structures of the monomer units and study the optical and the mechanical properties of the new polymers.
Final report
Results in Hungarian
A kutatási téma keretén belül tanulmányoztuk a fullerén-kubán kokristályok szerkezetét és dinamikai sajátosságait; a rotor-sztátor fázisokat új, nagy szimmetriájú tagokkal bővítettük; megkezdtük egy rokon szerkezetű anyagcsalád, a fullerén-mezitilén rendszer fejlesztését. Röntgen-diffrakciós mérések alapján meghatároztuk a C60-kubán alacsony hőmérsékleti fázisának kristályszerkezetét, amit párpotenciálokon alapuló számolásokkal is alátámasztottunk. Kalorimetrikus mérésekkel igazoltuk, hogy a C60 és a C70 kubán kokristályaiban az orientációs rendeződés első rendű fázisátalakulással megy végbe; ezek termodinamikai paramétereit sikerült meghatároznunk. NMR spektroszkópia, inelasztikus neutronszórás és diffúz Röntgenszórás segítségével közvetlen bizonyítékokat találtunk a fullerén molekulák szabad forgására a rotor-sztátor kokristályokban. Polimerizált C60-kubán káliummal történt dopolásával sikerült előállítanunk a fullerén-kubán anyagok első fémes származékát. Előállítottuk az endohedrális Sc3N@C80 és Gd3N@C80 rotor-sztátor jellegű kokristályait kubánnal és mezitilénnel. Ezek szerkezetvizsgálata folyamatban van. ESR spektroszkópia és SQUID magnetometria segítségével tanulmányoztuk a tiszta Gd3N@C80 mágneses tulajdonságait. Folyékony alkálifémes redukciót követően sikeresen hidrogéneztünk szén nanocsöveket.
Results in English
In the framework of the project we have studied the structures and the dynamics of the fullerene-cubane cocrystals; we have extended the rotor-stator family with new members of high symmetry; we started the development of a new related family, the fullerene-mesitylene system. We have determined the low-temperature crystal structure of C60-cubane by x-ray diffraction, and, supported the results by calculations, based on a pair potential method. We have proved the first order character of the orientational phase transitions of the cubane cocrystals of C60 and C70 by calorimetric methods, and determined the thermodynamic parameters of the transitions. We have found direct evidences on the free rotation of fullerene molecules in the rotor-stator cocrystals by complex studies of NMR spectroscopy, inelastic neutron scattering and diffuse x-ray scattering. We have succeeded in the preparation of the first metallic derivative of the fullerene-cubane materials by potassium doping of the polymerized C60-cubane. We have prepared cocrystals of rotor-stator character of the endohedral Sc3N@C80 and Gd3N@C80 with cubane and mesitylene. The structural determination of these materials is in progress. We have studied the magnetic properties of the pure Gd3N@C80 phase by ESR spectroscopy and SQUID magnetometry. We have successfully hydrogenated carbon nanotubes after a reduction by liquid alkali metal.
K. Thirunavukkuarasu, C. A. Kuntscher, B. J. Nagy, I. Jalsovszky, G. Klupp, K. Kamarás, É. Kováts, S. Pekker: Orientational Ordering and Intermolecular Interactions in the Rotor-Stator Compounds C60•C8H8 and C70•C8H8 Studied under Pressure, J. Phys. Chem. C, 112, 17525, 2008
N. M. Nemes, M. García-Hernández, G. Bortel, É. Kováts, B. J. Nagy, I. Jalsovszky, S. Pekker: Orientational Ordering and Low-Temperature Libration in the Rotor−Stator Cocrystals of Fullerenes and Cubane, J. Phys. Chem. B, 113, 2042, 2009
D. Quintavalle, F. Simon, G. Klupp, L. F. Kiss, G. Bortel, S. Pekker, A. Janossy: Metallic behavior in the potassium-doped fullerene-cubane copolymer, Phys. Rev. B 80, 033403-1-4, 2009
J. Kürti, J. Koltai, V. Zólyomi, S. Pekker: Two component doping of fullerene-cubane cocrystals, Phys. Stat. Sol. B, 246, 2618-2621, 2009
P. Matus, M. Bokor, G. Kriza, E. Kovats, S. Pekker, A. Domjan, G. Durko, I. Jalsovszky: 13C NMR investigation of cubane-fullerene C8H8•C60 cocrystals, Phys. Stat. Sol. B, 246, 2764-2766, 2009
K. Németh, Á. Pekker, F. Borondics, E. Jakab, N.M. Nemes, K. Kamarás S. Pekker: Infrared spectra of hydrogenated HiPCO nanotubes, Phys. Stat. Sol. B, 247, 2855-2858, 2010
C. Bousige, S. Rols, J. Cambedouzou, B. Verberck, S. Pekker, É. Kováts, G. Durkó, I. Jalsovszky, É. Pellegrini, P. Launois: Lattice dynamics of a rotor-stator molecular crystal: Fullerene-cubane C60•C8H8, Phys. Rev. B 82, 195413-1-10, 2010
G. Bortel, S. Pekker, É. Kováts: Low Temperature Structure and Supramolecular Interactions of the C60-Cubane Cocrystal, Cryst. Grow. Des. 11, 865-874, 2010
E A Francis, G Durkó, I Jalsovszky, G Klupp, K Kamarás, É Kováts, S Pekker, C A Kuntscher: Phase transitions in C60.C8H8 under hydrostatic pressure, PHYSICA STATUS SOLIDI B-BASIC SOLID STATE PHYSICS 249:(12) pp. 2596-2599, 2012
Náfrádi B, Antal Á, Pásztor Á, Forró L, Kiss LF, Fehér T, Kováts É, Pekker S, Jánossy A: Molecular and spin dynamics in the paramagnetic endohedral fullerene Gd 3N@C 80, JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS 3:(22) pp. 3291-3296, 2012
