Carbin - μονοδιάστατος άνθρακας

Όπως ανέφερε το περιοδικό Nature Materials τον Οκτώβριο του 2016, επιστήμονες από τη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Βιέννης κατάφεραν να βρουν έναν τρόπο να φτιάξουν μια σταθερή καραμπίνα, δηλ. Ο μονοδιάστατος άνθρακας, ο οποίος πιστεύεται ότι έχει ακόμη μεγαλύτερες δυνατότητες από το γραφένιο (δισδιάστατος άνθρακας).

Το γραφένιο, που εξακολουθεί να θεωρείται η μεγάλη ελπίδα και προάγγελος της επανάστασης των υλικών, ακόμη και πριν γίνει πραγματικότητα στην τεχνολογία, μπορεί ήδη να εκθρονιστεί από τον ξάδελφό του άνθρακα - Καραμπίνα. Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι η αντοχή σε εφελκυσμό της καρβίνης είναι διπλάσια από αυτή του γραφενίου, ενώ η ελαστική ακαμψία του παραμένει τρεις φορές υψηλότερη από το διαμάντι. Το Carbyne είναι (θεωρητικά) σταθερό σε θερμοκρασία δωματίου και όταν οι κλώνοι του αποθηκεύονται μαζί, τέμνονται προβλέψιμα.

Μιλάμε για μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα με δομή πολυαλκυνίου (C≡C)n, στην οποία τα άτομα σχηματίζουν μακριές αλυσίδες με εναλλασσόμενους απλούς και τριπλούς δεσμούς ή συσσωρευμένους διπλούς δεσμούς. Ένα τέτοιο σύστημα ονομάζεται μονοδιάστατη (1D) δομή επειδή δεν υπάρχει τίποτα άλλο συνδεδεμένο στο παχύ νήμα ενός ατόμου. Η δομή του γραφενίου παραμένει δισδιάστατη επειδή είναι μακρύ και φαρδύ, αλλά το φύλλο έχει πάχος μόνο ενός ατόμου. Έρευνες που έχουν διεξαχθεί μέχρι στιγμής υποδηλώνουν ότι η ισχυρότερη μορφή καραμπίνερ θα κατασκευαζόταν από δύο πλέγματα μεταξύ τους (1).

Μέχρι πρόσφατα, λίγα ήταν γνωστά για την καραμπίνα. Οι αστρονόμοι λένε ότι ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά σε μετεωρίτες και διαστρική σκόνη.

Ο Mingjie Liu και μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο Rice υπολόγισαν τις θεωρητικές ιδιότητες της καραμπίνας που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην καθοδήγηση της εμπειρικής έρευνας. Οι ερευνητές παρουσίασαν μια ανάλυση λαμβάνοντας υπόψη τις δοκιμές αντοχής σε εφελκυσμό, αντοχής σε κάμψη και στρεπτικής τάσης. Υπολόγισαν ότι η ειδική ισχύς της καρβίνης (δηλαδή η αντοχή σε σχέση με το βάρος) είναι σε πρωτοφανές επίπεδο (6,0-7,5 × 107 N∙m/kg) - σε σύγκριση με το γραφένιο (4,7-5,5. 107×4,3 N∙m/kg ), νανοσωλήνες άνθρακα (5,0-107×2,5 N∙m/kg) και διαμάντι (6,5-107×10 N∙m/kg). Το σπάσιμο ενός μόνο δεσμού σε μια αλυσίδα ατόμων απαιτεί την εφαρμογή δύναμης περίπου 14 nN. Το μήκος της αλυσίδας σε θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου XNUMX nm.

Προσθέτοντας λειτουργική ομάδα CH2 το άκρο της αλυσίδας καρβίνης μπορεί να συστραφεί σαν κλώνος DNA. Διακοσμώντας τις αλυσίδες καραμπίνερ με διάφορα μόρια, μπορούν να αλλάξουν άλλες ιδιότητες. Η προσθήκη ορισμένων ατόμων ασβεστίου που συνδέονται με άτομα υδρογόνου θα έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ενός σφουγγάρι αποθήκευσης υδρογόνου υψηλής πυκνότητας.

Μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα του νέου υλικού είναι η ικανότητά του να σχηματίζει δεσμούς με πλευρικές αλυσίδες. Η διαδικασία σχηματισμού και διάσπασης αυτών των δεσμών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση και την απελευθέρωση ενέργειας. Έτσι, το καραμπίνερ θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως ένα πολύ αποτελεσματικό υλικό για την αποθήκευση ενέργειας, καθώς τα μόριά του έχουν διάμετρο ενός ατόμου και η αντοχή του υλικού σημαίνει ότι οι δεσμοί μπορούν να σχηματιστούν και να σπάσουν επανειλημμένα χωρίς τον κίνδυνο καταστροφής. το ίδιο το μόριο αποσυντίθεται.

Όλα δείχνουν ότι το τέντωμα ή το στρίψιμο του καραμπίνερ αλλάζει τις ηλεκτρικές του ιδιότητες. Οι θεωρητικοί έχουν προτείνει ακόμη και την τοποθέτηση ειδικών «λαβών» στα άκρα του μορίου που θα καθιστούσαν δυνατή τη γρήγορη και εύκολη αλλαγή της αγωγιμότητας ή του διακένου της καρβίνης.

2. Μια αλυσίδα από καραμπίνερ μέσα σε μια δομή γραφενίου

Δυστυχώς, όλες οι γνωστές και ακόμη άγνωστες ιδιότητες της καραμπίνας θα παραμείνουν μόνο μια όμορφη θεωρία εάν δεν μπορούμε να παράγουμε το υλικό φθηνά και σε μεγάλες ποσότητες. Ορισμένα ερευνητικά εργαστήρια ανέφεραν την προετοιμασία μιας καραμπίνας, αλλά το υλικό αποδείχθηκε εξαιρετικά ασταθές. Μερικοί χημικοί πιστεύουν επίσης ότι αν συνδέσουμε δύο κλωστές καραμπίνερ, θα υπάρχουν взрыв. Τον Απρίλιο του τρέχοντος έτους, εμφανίστηκαν αναφορές για την ανάπτυξη ενός σταθερού καραμπίνερ με τη μορφή νημάτων μέσα στα «τοιχώματα» μιας δομής γραφενίου (2).

Ίσως η μέθοδος του Πανεπιστημίου της Βιέννης που αναφέρθηκε στην αρχή είναι μια σημαντική ανακάλυψη. Θα πρέπει να μάθουμε σύντομα.