Методами квантовой химии и неэмпирической молекулярной динамики исследованы механизмы неупругого рассеяния низкоэнергетических протонов с кинетической энергией 2-7 eV на молекулах C6H6, C6F12, C60 и C60F48. Показано, что для систем "C6H6+протон" и "C60+протон" начиная с расстояния 6 Angstrem от углеродного каркаса процесс переноса электронного заряда с ароматической молекулы на H+ происходит с вероятностью, близкой к единице, превращая H+ в атом водорода, а нейтральные молекулы C6H6 и C60 --- в катион-радикалы. Механизм взаимодействия низкоэнергетических протонов с молекулами C6F12 и C60F48 носит принципиально иной характер и может качественно рассматриваться как взаимодействие нейтральной молекулы с точечным зарядом. Кулоновское возмущение системы, возникающее за счет взаимодействия нескомпенсированного заряда протона и малликеновских зарядов атомов фтора, приводит к инверсии энергий электронных состояний, локализованных с одной стороны, на положительно заряженном ионе водорода, а с другой --- на молекулах C6F12 и C60F48, в результате чего состояние "нейтральная молекула + протон" становится основным. Это в свою очередь делает процесс переноса электронного заряда энергетически невыгодным. Квантово-химические и молекулярно-динамические расчеты различного уровня сложности показали, что для фторпроизводных ряда ароматических структур (C6F12, C60F48) барьеры проникновения протонов через углеродные шестиугольники в 2-4 раза ниже по сравнению с соответствующими материнскими системами (C6H6, C60). Этот эффект объясняется отсутствием активного pi-электронного облака у фторированных молекул. Работа частично поддержана Nanoscale Science and Engineering Initiative of the National Science Foundation, N EEC-0118007 (Rice CBEN), и Welch Foundation. PACS: 61.48.+c, 61.80.Lj
J.R. Heath, S.C. O'Brien, Q. Zhang, Y. Liu, R.F. Curl, H.W. Kroto, F.K. Tittel, R.E. Smalley. J. Am. Chem. Soc. 107, 7779 (1985)
Y. Chai, T. Guo, C. Jin, R.E. Haufler, L.P.F. Chibante, J. Fure, L. Wang, J.M. Alford, R.E. Smalley. J. Phys. Chem. 95, 7564 (1991)
M. Saunders, H.A. Jimenez-Vazquez, R.J. Cross, R.J. Poreda. Science 259, 1428 (1993); F. Hensel, P. Edwards. Science 271, 1693 (1996)
J.J. Christian, Z. Wan, S.L. Anderson. Chem. Phys. Lett. 199, 373-8 (1992)
T.A. Murphy, T. Pawlik, A. Weidinger, M. Hohne, R. Alcala, J.M. Spaeth. Phys. Rev. Lett. 77, 1075 (1996)
E.E.B. Campbell, R. Tellgmann, N. Krawez, I.V. Hertel. J. Phys. Chem. Sol. 58, 1763 (1997)
T. Ohtsuki, K. Ohno, K. Shiga, Y. Kawazoe, Y. Maruyama, K. Masumoto. Phys. Rev. Lett. 81, 967 (1998)
D.S. Bethune, R.D. Johnson, J.R. Salem, M.S. de Vries, C.M. Yannoni. Nature (London) 366, 123 (1993)
S.K. Estreicher, C.D. Lathan, M.I. Heiggie, R. Jones, S. Oberg. Chem. Phys. Lett. 196, 311 (1992)
K.C. Mowrey, M.M. Ross, J.H. Callahan. J. Phys. Chem. 96, 4755 (1992)
M. Kolb, W. Thiel. J. Comp. Chem. 14, 37 (1993)
J. Hru\^ sak, D.K. Bohme, T. Weiske, H. Schwarz. Chem. Phys. Lett. 193, 97 (1992)
K. Ohno, Y. Maruyama, K. Esfarjani, Y. Kawazoe. Phys. Rev. Lett. 76, 3590 (1996)
R. Mitsumoto, T. Araki, E. Ito, Y. Ouchi, K. Seki, K. Kikuchi, Y. Achiba, H. Kurosaki, T. Sonoda, H. Kobayashi, O.V. Boltalina, V.K. Pavlovich, L.N. Sidorov, Y. Hattori, N. Liu, S. Yajima, S. Kawasaki, F. Okino, H. Touhara. J. Phys. Chem. A 102, 552 (1998)
L.G. Bulusheva, A.V. Okotrub, O.V. Boltalina. J. Phys. Chem. A 103, 9921 (1999)
M.J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel et al. GAUSSIAN 01. Development Version (Revision B.01). Gaussian, Inc., Pittsburgh, PA (2001)
W. Andreoni. Ann. Rev. Phys. Chem. 49, 405 (1998)
K. Hedberg, L. Hedberg, D.S. Bethune, C.A. Brown, M.S. de Vries, R.D. Johnson. Science 254, 410 (1991)
R. Car, M. Parinello. Phys. Rev. Lett. 55, 22, 2471 (1985)
Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Квантовая механика, нерелятивистская теория. Наука, М. (1974)
J.H. Weaver. Acc. Chem. Res. 25, 143 (1992)
С.А. Варганов, П.В. Аврамов, С.Г. Овчинников. ФТТ 42, 2103 (2000)
© 2017 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук