Glem grafen- og kulnanorør, gør dig klar til diamant nanotråd

Der går næppe en uge, uden at nogen proklamerer en ny applikation til grafen, den form for kulstof, der forekommer i enkelte plader med hønsenet-lignende struktur (se Forskningstip ved Graphene's Photovoltaic Potential). Rul et grafenark til et rør, og det danner et kulstof nanorør, et andet vidundermateriale med mange anvendelsesmuligheder. Og pak den yderligere ind i en kugle, og med en lille omlægning af bindinger danner den buckyballs.

Nu er der et nyt barn på kulstofblokken. Sidste måned annoncerede et hold ved Pennsylvania State University og andre steder, at de havde skabt en anden type kulstof, der tager form af en endimensionel diamantkrystal dækket af brint. De kalder dette nye materiale diamant nanotråd.

Det vakte en byge af begejstring og rejste nogle interessante spørgsmål. Materialeforskere er fascineret af de potentielle egenskaber ved en diamant nanotråd og dens anvendelser. Men en frygt er, at sådan en tråd ville være så skør, at den ville splintre som glas under enhver form for belastning, en egenskab, der i høj grad ville begrænse dens brug.

I dag får vi noget nyt indblik i diamant nanotråde takket være Haifei Zhans arbejde ved Queensland University of Technology i Australien og et par venner. Disse fyre har modelleret trådene ved hjælp af simuleringer af molekylær dynamik i stor skala. Og de konkluderer, at materialet kunne være mere alsidigt, end nogen troede. Der er foreløbige tegn på, at diamant nanotråd kan være et nyt vidundermateriale i sig selv.

Penn State-holdet fremstillede nanotråden af ​​benzenmolekyler, simple ringe af kulstofatomer. Det er ikke svært at se, hvordan en stak af disse kunne binde sig på en måde, der danner en tråd.

Og det er præcis, hvad Penn State-holdet gjorde. De stablede molekylerne i en linje, placerede den under tryk, så molekylerne polymeriserede og, voila, skabte en diamant nanotråd.

Det lyder simpelt i teorien, men kompleksiteten opstår fra den måde, kulstofatomerne kan binde. Forskellige konfigurationer er mulige, og spørgsmålet, som Zhan og co undersøger, er, hvordan trådens egenskaber afhænger af disse arrangementer.

Især ser Zhan og co på de to mest almindelige konfigurationer. Den første er ligetil polymeriseret benzen - en stak af disse ringe bundet sammen. Dette er et stift molekyle, der bliver mere og mere skørt, efterhånden som det bliver længere. At konstruere noget komplekst med lange sektioner af poly-benzen ville være som at prøve at sy med som ubehandlet spaghetti.

Men der er en anden konfiguration af kulstofatomer kendt som Stone-Wales-defekter, og disse er meget mere formbare. Faktisk virker Stone-Wales-defekterne som hængsler, der forbinder sektioner af poly-benzen.

Zhan og co simulerer, hvordan nanotrådens egenskaber varierer, efterhånden som tætheden af ​​disse defekter øges. Og de konkluderer, at når massefylden krydser en bestemt tærskel, ændres tråden pludselig fra sprød til fuldstændig fleksibel - snarere som forskellen mellem ukogt og kogt spaghetti.

Det er et interessant resultat. Det indebærer, at nanotrådens egenskaber kan indstilles ved blot at kontrollere tætheden af ​​Stone-Wales-defekter langs dens længde. Så nogle dele af tråden kan gøres stive, mens andre er helt fleksible.

Hvad med potentielle applikationer? Dens meget afstembare duktilitet sammen med dens ultralette tæthed og høje Youngs modul gør diamant nanotråd ideel til at skabe ekstremt stærke tredimensionelle nano-arkitekturer, siger Zhan og co.

Dette arbejde er selvfølgelig kun en simulering. Der vil næsten helt sikkert være forskelle mellem dens forudsigelser og opførselen af ​​diamant nanotråde i den virkelige verden. Så det næste trin vil være for materialeforskere at skabe nogle nanotråde-byggesæt og begynde at måle dette materiales egenskaber for alvor.

I betragtning af den enorme interesse for kulstofarkitektur og de enorme pengesummer, der hældes ind i dette område - alene EU har et forskningsprojekt på 1 mia. EUR, der udelukkende fokuserer på grafen - vil det bestemt ikke vare længe, ​​før vi ser diamant nanotråde i kødet og nogle af de ekstraordinære applikationer, som det burde muliggøre.

Ref: arxiv.org/abs/1511.01583 : Fra skørt til sejt: En strukturafhængig duktilitet af diamant nanotråd

skjule