Forskere presenterer et direkte første bevis på stabile, ultra lange 1D karbonkjeder

Anonim

Elementært karbon finnes i mange former, inkludert diamant, fullerener og grafen, som har unike strukturelle, elektroniske, mekaniske, transport- og optiske egenskaper som tilbyr et bredt spekter av anvendelser innen fysikk, kjemi og materialvitenskap. Disse inkluderer komposittmaterialer, nanoskala lysemitterende enheter og energiinnsamlingsmaterialer.

Innenfor "karbonfamilien" er bare carbyne, en virkelig endimensjonal form for karbon, ennå ikke blitt syntetisert til tross for å ha blitt studert i mer enn 50 år. Dens ekstreme ustabilitet i omgivelsesforholdene gjorde det endelige eksperimentelle beviset på eksistensen vanskelig å oppnå. Et internasjonalt samarbeid med forskere har utviklet en ny rute for bulkproduksjon av karbonkjeder som består av mer enn 6400 karbonatomer ved å bruke tynne, dobbeltveggede karbonnanorør som beskyttende verter for kjedene.

Disse funnene er publisert i journal Nature Materials og representerer en elegant forløper mot det endelige målet med carbynes bulkproduksjon. Foruten de potensielle bruksområdene, åpner disse funnene muligheten til å svare på grunnleggende spørsmål om elektronkorrelasjoner, elektronfonon-interaksjoner og kvantefaseoverganger i endimensjonale materialer.

Selv i sin grunnleggende form gir det høye båndets allsidighet av karbon mange kjente materialer, inkludert diamant og grafitt. Et enkelt lag av grafitt, betegnet grafen, kan rulles eller brettes i henholdsvis karbon nanorør eller fullerener. Hittil har Nobelprisene blitt tildelt for grunnleggende arbeid på både graphene (2010) og fullerenes (1996). Selv om eksistensen av lineært acetylenisk karbon, en uendelig lang karbonkjede også kalt carbyne, ble foreslått i 1885 av Adolf von Baeyer, som mottok en nobelpris for sin samlede bidrag til organisk kjemi i 1905, har forskere ikke klart å syntetisere dette materiale. Von Baeyer foreslo selv at carbyne ville forbli unnvikende, da dens høye reaktivitet alltid ville føre til at den umiddelbart ødelegges. Likevel har karbonkjeder med økende lengde blitt vellykket syntetisert de siste 50 årene.

Hittil er plateselskapet en kjede laget av rundt 100 karbonatomer (2003). Denne posten har nå blitt brutt med en faktor på over 50 med første gangs demonstrasjon av mikrometerskalene, rapportert i Nature Materials i dag. Forskere fra Universitetet i Wien ledet av Thomas Pichler har utviklet en roman og enkel tilnærming til å stabilisere karbonkjeder med en rekordlengde på mer enn 6400 karbonatomer.

De bruker den begrensede plassen inne i en dobbeltvegget karbonnanorør som en nanoreaktor for å dyrke ultra lange karbonkjeder på bulkskala. Eksistensen av kjedene er utvetydig bekreftet ved bruk av en rekke sofistikerte, komplementære metoder. Disse inkluderer bruk av temperaturavhengig, nær- og fjernfelt Raman-spektroskopi med forskjellige lasere (for undersøkelse av elektroniske og vibrasjonsegenskaper), høyoppløselig transmisjonelektrospektroskopi (for direkte observasjon av carbyne inne i karbonnanorørene) og X- ray scattering (for bekreftelse av bulkkjedevekst). "Det direkte eksperimentelle beviset på begrensede ultralange lineære karbonkjeder, som er to størrelsesordener lengre enn de lengst beviste kjedene hittil, er et lovende skritt mot det endelige målet om å unraveling den hellige gral av virkelig 1D karbon allotrope, carbyne, forklarer Lei Shi, første forfatter av papiret.

Carbyne er veldig stabil inne i dobbeltvegget karbonnanorør. Denne egenskapen er avgjørende for den endelige anvendelsen i fremtidige materialer og enheter. Ifølge teoretiske modeller overgår carbynes mekaniske egenskaper alle kjente materialer, som overgår både grafen og diamant (for eksempel den er 40 ganger stivere enn diamant, dobbelt så stiv som grafen og har en høyere strekkstyrke enn alle andre karbonmaterialer).

Carbynes elektriske egenskaper er avhengig av lengden på den endimensjonale kjeden, og foreslår dermed nye nanoelektroniske applikasjoner i kvantespinntransport og magnetiske halvledere, i tillegg til sin generelle appell i fysikk og kjemi. "Dette arbeidet ga et eksempel på et svært effektivt og fruktbart samarbeid mellom eksperimenter og teori for å unravel og kontrollere de elektroniske og mekaniske egenskapene til lavdimensjonale, karbonbaserte materialer. Det førte til syntese og karakterisering av den lengste lineære karbonkjede. Disse funnene gir grunnleggende testbed for eksperimentelle studier angående elektronkorrelasjon og kvante dynamiske faseoverganger i begrensede geometrier som ikke var mulige før. Videre er de mekaniske og elektroniske egenskapene til carbyne eksepsjonelle og foreslår et vell av nye muligheter for design av nanoelektroniske samt optomekaniske enheter, "konkluderer Angel Rubio.

menu
menu