Химики из Имперского и Университетского колледжей Лондона и Университета Кембриджа синтезировали новую аллотропную модификацию фосфора, поместив молекулы белого фосфора в одностенную углеродную нанотрубку. По словам авторов, розовый фосфор — переходное состояние между белой («светящейся» в темноте) и красной модификациями. Новый материал может обладать необычными электронными свойствами. Исследование опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition, кратко о нем сообщает Chemistry World.

Фосфор может существовать в нескольких кристаллических модификациях, отличающихся друг от друга расположением атомов и, как следствие, свойствами. Белый фосфор, известный своим «свечением» в темноте (это следствие горения в кислороде воздуха), состоит из молекул P4, в которых атомы фосфора образуют тетраэдры. Красный и фиолетовый фосфор — более стабильные модификации, в них тетраэдры склеиваются между собой и образуют зигзагообразные цепочки. Он не загорается в воздухе самопроизвольно. Черный фосфор — слоистое соединение, похожее на графит, он является наиболее стабильной модификацией. Помимо этих основных форм существует еще масса низкоразмерных «версий» фосфора — фосфорен, голубой фосфор, наностержни фосфора и другие.

Тетраэдры белого фосфора в углеродной нанотрубке. При их полимеризации образуется розовый фосфор. Martin Hart et al. / Angew. Chem. Int. Ed., 2017

Авторы новой работы научились помещать наиболее реакционноспособный — белый — фосфор в одностенные углеродные нанотрубки. Для этого химики плавили фосфор и помещали в него порошок углеродных нанотрубок. Как оказалось, фосфор сам может проникать во внутренние полости нанотрубок. После этого избыток фосфора возгоняли — в остатке оставались лишь заполненные фосфором нанотрубки.

Модификации фосфора: белый, красный (два снимка) и фиолетовый. Wikimedia Commons

Как отмечает руководитель исследовательской группы, Кристоф Зальцманн, самой сложной частью исследования была потребность работать с расплавленным белым фосфором. «Мартину Харту, аспиранту лаборатории, выполнившему экспериментальную часть, определенно потребовались стальные нервы для этого».

Полимеризация фосфора в нанотрубках. Сверху — примеры полимерных структур розового фосфора в нанотрубках. c — одна из структур крупным планом, d — смоделированное изображение, e — трехмерная модель зигзагообразного розового фосфора. Martin Hart et al. / Angew. Chem. Int. Ed., 2017

После того, как углеродные нанотрубки с фосфором контактировали с воздухом, их концы «запаивались» за счет окисления вещества. Затем химики исследовали свойства вещества, оказавшегося в своеобразной пробирке. Просвечивающая электронная микроскопия показала, что тетраэдры фосфора выстраивались в цепочки, как горошины в стручке. В некоторых случаях химики наблюдали частичную полимеризацию — тетраэдры превращались в «склеенные» изогнутые цепочки. Авторы предполагают, что эта полимеризация происходила под действием электронного пучка в микроскопе. Эта новая форма вещества и получила название «розового фосфора» — как переходная форма между белым и красным фосфором.

Химики отмечают, что фосфор в углеродной нанотрубке устойчив на воздухе — в отличие от белого фосфора. Однако уже при нагреве до 50 градусов Цельсия вещество быстро самовоспламеняется.

Как отмечают эксперты, новая низкоразмерная форма фосфора может обладать необычными электронными свойствами. Так, в отличие от графена, фосфорен обладает запрещенной зоной. Но исследовать их будет сложно из-за собственной проводимости углеродных нанотрубок, в которых заключен фосфор. 

Недавно химики из Кембриджского и Уорикского университетов продемонстрировали похожую конструкцию, в которой вместо атомов фосфора внутрь углеродной нанотрубки поместили цепочку атомов теллура. Если в обычном состоянии теллур — полупроводник, то цепочка атомов оказалась проводником. 

Автор: Владимир Королёв