Zapomnij o grafenie i nanorurkach węglowych, przygotuj się na diamentową nanonitkę

Prawie nie ma tygodnia, aby ktoś nie ogłosił nowego zastosowania grafenu, formy węgla występującej w pojedynczych arkuszach o strukturze przypominającej drut z kurczaka (patrz Wskazówki badawcze dotyczące potencjału fotowoltaicznego grafenu). Zwiń arkusz grafenowy w rurkę i uformuj nanorurki węglowe, kolejny cudowny materiał o wielu zastosowaniach. I owinąć go dalej w kulkę, a z niewielką zmianą wiązań tworzy buckyballs.

Teraz na bloku węglowym jest nowy dzieciak. W zeszłym miesiącu zespół z Pennsylvania State University ogłosił, że stworzył inny rodzaj węgla, który przybiera formę jednowymiarowego kryształu diamentu połączonego wodorem. Nazywają ten nowy materiał nanonitką diamentową.

To wywołało falę podekscytowania i wywołało kilka interesujących pytań. Naukowcy zajmujący się materiałami są zafascynowani potencjalnymi właściwościami nanonici diamentowej i jej zastosowaniami. Istnieje jednak obawa, że ​​taka nić byłaby tak krucha, że ​​rozbiłaby się jak szkło pod jakimkolwiek obciążeniem, co poważnie ograniczyłoby jej zastosowanie.

Dzisiaj, dzięki pracy Haifei Zhan z Queensland University of Technology w Australii i kilku kumplom, zyskujemy nowe spojrzenie na nanowątki diamentowe. Ci faceci modelowali wątki za pomocą wielkoskalowych symulacji dynamiki molekularnej. I dochodzą do wniosku, że materiał może być bardziej wszechstronny, niż ktokolwiek przypuszczał. Istnieją wstępne oznaki, że nanonić diamentowa może być sama w sobie nowym cudownym materiałem.

Zespół Penn State wyprodukował nanonić z cząsteczek benzenu, prostych pierścieni atomów węgla. Nietrudno zobaczyć, w jaki sposób ich stos może łączyć się w sposób, który tworzy nić.

I to właśnie zrobił zespół Penn State. Ułożyli molekuły w linię, umieścili je pod ciśnieniem, aby molekuły uległy polimeryzacji i voila, utworzyły diamentową nanonitkę.

W teorii brzmi to prosto, ale złożoność wynika ze sposobu, w jaki atomy węgla mogą się wiązać. Możliwe są różne konfiguracje, a pytanie, które Zhan i wsp. badają, dotyczy tego, w jaki sposób właściwości nici zależą od tych układów.

W szczególności Zhan i spółka przyglądają się dwóm najczęstszym konfiguracjom. Pierwszym z nich jest prosty spolimeryzowany benzen — stos połączonych ze sobą pierścieni. Jest to sztywna cząsteczka, która w miarę wydłużania się staje się coraz bardziej krucha. Konstruowanie czegokolwiek złożonego z długich odcinków polibenzenu byłoby jak próba szycia z niedogotowanym spaghetti.

Istnieje jednak inna konfiguracja atomów węgla znana jako defekty Stone-Wales, które są znacznie bardziej plastyczne. Rzeczywiście, wady Stone-Wales działają jak zawiasy łączące sekcje polibenzenu.

Zhan i wsp. symulują, jak właściwości nanonici zmieniają się wraz ze wzrostem gęstości tych defektów. I doszli do wniosku, że kiedy gęstość przekracza określony próg, nić nagle zmienia się z kruchej na całkowicie elastyczną – podobnie jak różnica między spaghetti surowym a gotowanym.

To ciekawy wynik. Oznacza to, że właściwość nanonitki można regulować po prostu kontrolując gęstość defektów Stone-Wales na jej długości. Tak więc niektóre części nici można usztywnić, podczas gdy inne są całkowicie elastyczne.

A co z potencjalnymi zastosowaniami? Wysoce przestrajalna plastyczność w połączeniu z ultralekką gęstością i wysokim modułem Younga sprawia, że ​​diamentowa nanonić jest idealna do tworzenia niezwykle mocnych trójwymiarowych nanoarchitektur, mówią Zhan i spółka.

Oczywiście ta praca to tylko symulacja. Prawie na pewno będą różnice między jego przewidywaniami a zachowaniem nanowątków diamentowych w rzeczywistym świecie. Następnym krokiem będzie więc dla naukowców zajmujących się materiałami stworzenie kilku zestawów konstrukcyjnych do nanowątków i rozpoczęcie rzeczywistych pomiarów właściwości tego materiału.

Biorąc pod uwagę ogromne zainteresowanie architekturą węglową i ogromne sumy pieniędzy, które są przeznaczane na ten obszar – sama Unia Europejska prowadzi projekt badawczy o wartości 1 miliarda euro, skupiający się wyłącznie na grafenie – z pewnością nie minie dużo czasu, zanim zobaczymy diamentowe nanonitki w ciele i niektóre z niezwykłych zastosowań, które powinna umożliwić.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1511.01583 : Od kruchości do ciągliwości: ciągliwość zależna od struktury diamentowej nanonitki

ukryć