Unique Crystallization of Fullerenes: Fullerene Flowers

Jungah Kim, Chibeom Park, Intek Song, Minkyung Lee, Hyungki Kim and Hee Cheul Choi*

We made highly symmetrical flower-shaped fullerene crystals starting from mesitylene/ethanol solutions of mixed C₆₀ and C₇₀. The crystals consisted of both C₆₀ and C₇₀, with solvation by mesitylene. The main factor behind the unique crystal growth was the solubility difference between C₆₀ and C₇₀, which led to the two-stage growth: first C₇₀ formed the center of the crystal, and then C₆₀-C₇₀ co-crystallized to form petals. The poor solvent, ethanol in our case, guided the crystallization mechanism to yield complex flower crystals, which is surprising because of the role of the poor solvent in affecting the crystallization pathway. By manipulating the morphology of the crystals on which the petal formation occurs, various fullerene flowers could be obtained: single-deck, double-deck, and multi-deck fullerene flowers. In addition, we synthesized more complex crystals by adopting a two-step growth process. The high surface energy of the tips of C₆₀ hexagonal tubes resulted in a pair of fullerene flowers grown on each tip of a stem. The use of different types of solutions can effectively alter pre-grown fullerene flowers into larger fullerene flowers or edge-grown fullerene flowers. We believe that our findings provide insights into the solution-phase growth of molecular crystals and illuminate new aspects of crystallization chemistry.

      본 연구진은 mesitylene, ethanol, C₆₀, C₇₀ 혼합용액으로부터 mesitylene 분자가 결정에 포함되어있는 꽃 모양의 풀러렌 결정을 얻었습니다. 이 결정 형성의 주요 요인은 혼합 용매에서의 C₆₀, C₇₀의 용해도 차이에 있으며, 크게 두 단계를 통하여 결정이 형성됩니다. 우선 C₇₀가 결정의 중심에서 결정핵을 형성하며, 그 주변으로 C₆₀, C₇₀가 혼합되어 결정을 이룸으로써 꽃잎 모양의 형태를 이루게 됩니다. 이 과정에서 반 용매(poor solvent)는 복잡한 풀러렌 꽃 모양 결정을 형성하는데 중요한 역할을 하며, 결정화 방향을 제시해주는 역할을 하게 됩니다. 이로부터 본 연구진은 결정화 방향을 조절 함으로써 풀러렌 꽃 의 층 수를 조절할 수 있었으며, 기존에 발표되었던 C₆₀ 육각형 튜브 끝이 큰 표면 에너지를 가진다는 사실을 이용하여 육각형 튜브 끝에 꽃 모양의 결정을 추가로 성장시킬 수 있었습니다. 본 연구결과는 2016년 8월, Scientific Report 에 게재 되었습니다.