Synthesis of polyynes through arc discharge in selected organic solvents

In the last decades carbon-based nanomaterials have aroused an increasing interest in the scientific community thanks to their extraordinary properties and the vastness of their possible applications. Among these, one of the lesser known and most recently investigated categories of nanomaterials is that of carbon nanowires, one-dimensional chains with sp hybridization and with the diameter of a single carbon atom. These systems have peculiar properties, furthermore these characteristics strongly depend on the structural properties such as the terminations and the length of the chains. Several studies have predicted exceptional optical, mechanical and electronic properties, making them extremely interesting for innovative applications; however, there is a long way to go in research to fill the gap between the state of the art and systems suitable for engineering applications. This thesis work aims to investigate the synthesis of these one-dimensional systems using the arc discharge technique in organic solutions; the technique consists in the formation of an arc discharge in solution by means of two carbon electrodes to which a potential difference capable of sustaining the discharge is applied. In order to investigate the effect on the concentration of the produced species and on the termination of the chains, several organic solvents have been investigated. The solutions were subsequently characterized using UV-visible spectroscopy techniques, surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and high-performance liquid chromatography (HPLC). Some samples were then selected for aging, in order to assess their stability over time. An in situ SERS experiment was performed to observe the evolution of carbon chains during the synthesis process, using a Raman spectrometer connected to an optical fiber immersed in an active colloidal SERS solution of silver particles.

Negli ultimi decenni i nanomateriali a base di carbonio hanno suscitato un interesse sempre crescente nella comunità scientifica grazie alle loro straordinarie proprietà e alla vastità delle loro possibili applicazioni. Tra questi una delle categorie di nanomateriali meno note e investigate più di recente è quella dei nanofili di carbonio, catene monodimensionali dal diametro di un singolo atomo di carbonio ed ibridizzate sp. Questi sistemi hanno proprietà peculiari, inoltre queste caratteristiche dipendono fortemente dalle proprietà strutturali come le terminazioni e la lunghezza delle catene. Diversi studi hanno predetto proprietà ottiche, meccaniche ed elettroniche eccezionali, rendendole di estremo interesse per applicazioni innovative; tuttavia, c’è molta strada da fare nella ricerca affinché venga colmato il gap tra lo stato dell’arte e sistemi adatti ad applicazioni ingegneristiche. Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di investigare la sintesi di questi sistemi monodimensionali mediante la tecnica di scarica ad arco in soluzioni organiche; la tecnica consiste nella formazione di una scarica ad arco in soluzione mediante due elettrodi di carbonio ai quali capi viene applicata una differenza di potenziale in grado di sostenere la scarica. Allo scopo di investigare l’effetto sulla concentrazione delle specie prodotte e sulla terminazione delle catene, diversi solventi organici sono stati investigati. Le soluzioni sono state successivamente caratterizzate mediante le tecniche di spettroscopia uv-visibile, spettroscopia Raman amplificata da superfici (SERS) e cromatografia liquida ad alta prestazione (HPLC). Alcuni campioni sono poi stati selezionati per l’invecchiamento, in modo da valutarne la stabilità nel tempo. Un esperimento di SERS in situ è stato effettuato per osservare l’evoluzione delle catene di carbonio durante il processo di sintesi, utilizzando uno spettrometro Raman collegato ad una fibra ottica immersa in una soluzione colloidale SERS attiva di particelle d’argento.