211service.com
Nowa forma węgla jest silniejsza niż grafen i diament
Szósty pierwiastek, węgiel, dał nam niesamowite bogactwo niezwykłych materiałów. Kiedyś był po prostu węgiel, grafit i diament. Ale w ostatnich latach chemicy dodali kulki buckyballa, nanorurki i wiele egzotycznych kształtów stworzonych z grafenu, molekularnego odpowiednika drutu z kurczaka.
Trudno więc uwierzyć, że karbon ma w zanadrzu więcej niespodzianek. A jednak dzisiaj Mingjie Liu i koledzy z Rice University w Houston obliczają właściwości innej formy węgla, która jest mocniejsza, sztywniejsza i bardziej egzotyczna niż cokolwiek, co chemicy widzieli wcześniej.
Nowy materiał nazywa się carbyne. Jest to łańcuch atomów węgla, które są połączone naprzemiennymi wiązaniami potrójnymi i pojedynczymi lub kolejnymi wiązaniami podwójnymi.
Carbyne jest czymś tajemniczym. Astronomowie uważają, że wykryli jego sygnaturę w przestrzeni międzygwiazdowej, ale chemicy kłócą się od dziesięcioleci o to, czy kiedykolwiek stworzyli tę substancję na Ziemi. Jednak kilka lat temu zsyntetyzowali łańcuchy karbinowe o długości do 44 atomów w roztworze.
Dotychczas myślano, że karabinek musi być wyjątkowo niestabilny. W rzeczywistości niektórzy chemicy obliczyli, że stykające się ze sobą dwie nici karbinu zareagują wybuchowo.
Niemniej jednak nanotechnologowie byli zafascynowani potencjałem tego materiału, ponieważ powinien on być zarówno mocny, jak i sztywny, a przez to użyteczny. Nikt jednak nie był do końca pewien, jak silny i sztywny.
Tu właśnie wkracza Liu i spółka. Ci goście obliczyli na podstawie pierwszych zasad właściwości masy carbyne, a wyniki stanowią ciekawą lekturę.
Na początek mówią, że carbyne jest około dwa razy sztywniejsze niż najsztywniejsze znane obecnie materiały. Na przykład nanorurki węglowe i grafen mają sztywność 4,5 x 10^8 Nm/kg, ale karbin jest na szczycie ich sztywnością około 10^9 Nm/kg.
Równie imponująca jest wytrzymałość nowego materiału. Liu i współpracownicy obliczyli, że do zerwania pojedynczej nici karbynu potrzeba około 10 nanoniutonów. Siła ta przekłada się na wytrzymałość właściwą 6,0–7,5×10^7 N∙m/kg, ponownie znacznie przewyższając każdy znany materiał, w tym grafen (4,7–5,5×10^7 N∙m/kg), nanorurki węglowe (4,3–5,0). ×10^7 N∙m/kg) i diament (2,5–6,5×107 N∙m/kg4), mówią.
Carbyne ma też inne ciekawe właściwości. Jego elastyczność plasuje się gdzieś pomiędzy typowym polimerem a dwuniciowym DNA. A po skręceniu może się swobodnie obracać lub stać się sztywny na skręcanie, w zależności od grupy chemicznej przymocowanej do jego końca.
Być może najbardziej interesujące są obliczenia zespołu Rice dotyczące stabilności carbyne. Zgadzają się, że dwa stykające się łańcuchy mogą reagować, ale istnieje bariera aktywacyjna, która zapobiega temu z łatwością. Ta bariera sugeruje żywotność karbinu w fazie skondensowanej w temperaturze pokojowej w ciągu kilku dni, podsumowują.
Wszystko to powinno zaostrzyć apetyt nanotechnologów, którzy mają nadzieję na projektowanie coraz bardziej egzotycznych nanomaszyn, takich jak urządzenia nanoelektroniczne i spintroniczne. Biorąc pod uwagę postępy w produkcji tego materiału, być może nie będziemy musieli długo czekać, zanim ktoś zacznie naprawdę wykorzystywać niezwykłe właściwości mechaniczne łańcuchów karabinkowych.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1308.2258 : Carbyne Od pierwszych zasad: łańcuch atomów C, nanorod czy nanorope?