Sp-carbon chains by pulsed laser ablation in liquid : synthesis and stability

In this thesis work, we investigate the possibility to optimize the Pulsed Laser Ablation in Liquid (PLAL) process for the synthesis of polyynes, which are linear sp-carbon atomic chains. To achieve this aim we modified some laser ablation parameters, such as the ablation time, the laser fluence, the volume of the liquid and solvent in the synthesis is performed. In this way, we succeeded in improving the polyynes concentrations. In particular, the best result is achieved when organic solvents are used as liquid medium in which the PLAL process is carried out. In addition, we were able to synthesize both H-capped chains and methyl-polyynes. When acetonitrile is used, we also detected the presence of cyano-polyynes. The other aim of this thesis work is to study the degradation of polyynes and find a way to improve their stability. In order to do this, we performed several stability studies of the carbon chains under different environmental conditions, such as a decrease of the storage temperature, the addition of a surfactant to the polyynes solution and the different solvents in which the carbon chains are dissolved in. Only the addition of the surfactant (trisodium citrate) has no impact on the polyynes stability. Indeed, the decrease in the storage temperature slowed down the degradation rate with respect to the room temperature case. This is the same result achieved using organic solvents, which are able to improve the stability of polyynes with respect to the case of water. When acetonitrile and isopropanol are used, it is possible to detect polyynes signal up to 90 days from the synthesis. A Nd:YAG laser was employed to perform the PLAL synthesis, while to characterize the polyynes solution we used UV-Vis absorption spectroscopy, High Performance Liquid Chromatography (HPLC) and Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS).

In questa tesi, abbiamo investigato la possibilità di ottimizzare il processo di Pulsed Laser Ablation in Liquid (PLAL) per la sintesi di catene lineari di carbonio sp (polyynes). Per raggiungere questo scopo abbiamo modificato alcuni parametri dell’ablazione laser, come il tempo di ablazione, la fluenza del laser, il volume del solvente e il solvente in cui la PLAL è eseguita. In questo modo, siamo riusciti ad ottenere maggiori concentrazioni di catene di carbonio. In particolare, il risultato migliore è stato ottenuto quando solventi organici sono stati usati come liquidi in cui effettuare il processo di ablazione. Inoltre, siamo riusciti a sintetizzare sia catene terminate da atomi di idrogeno sia catene terminate da gruppi metili. Quando si è usato l’acetonitrile è stato possibile rilevare anche la presenza di catene terminate da gruppi ciano. L’altro obiettivo di questa tesi è lo studio della degradazione delle catene di carbonio e la ricerca di un modo per stabilizzarle. Per fare questo, abbiamo eseguito diversi studi, nei quali abbiamo indagato la stabilità delle catene in diverse condizioni ambientali, come ad esempio una diminuzione della temperatura di stoccaggio, l’aggiunta di un surfattante (il citrato trisodico) e differenti solventi in cui le catene sono disciolte. Solo l’aggiunta del surfattante non ha avuto nessun impatto sulla stabilità delle catene. Infatti, la diminuzione della temperatura di stoccaggio ha rallentato la cinetica di degradazione, rispetto al caso in cui la temperature di stoccaggio sia quella ambiente. Un risultato analogo è stato ottenuto usando solventi organici, i quali sono capaci di migliorare la stabilità delle catene, rispetto all’acqua. Quando acetonitrile e isopropanolo sono stati usati, è stato possibile rilevare la presenza di catene anche a 90 giorni dalla sintesi. Per effettuare l’ablazione laser in liquido è stato utilizzato un laser Nd:YAG, mentre per caratterizzare le soluzioni contenenti le catene atomiche di carbonio sono state utilizzate la spettroscopia ad assorbimento UV-Vis, la High Performance Liquid Chromatography (HPLC) e la Spettroscopia Raman Amplificata da Superfici (SERS).