211service.com
Ny form for kulstof er stærkere end grafen og diamant
Det sjette grundstof, kulstof, har givet os en fantastisk overflod af ekstraordinære materialer. Engang var der simpelthen kulstof, grafit og diamant. Men i de seneste år har kemikere tilføjet buckyballs, nanorør og et vilkårligt antal eksotiske former skabt af grafen, den molekylære ækvivalent til kyllingetråd.
Så det er svært at tro, at carbon har flere overraskelser i ærmet. Og alligevel i dag beregner Mingjie Liu og venner på Rice University i Houston egenskaberne af en anden form for kulstof, der er stærkere, stivere og mere eksotisk end noget kemikere har set før.
Det nye materiale hedder carbyne. Det er en kæde af carbonatomer, der er forbundet enten med alternative tredobbelte og enkeltbindinger eller ved på hinanden følgende dobbeltbindinger.
Carbyne er noget af et mysterium. Astronomer mener, at de har opdaget dens signatur i det interstellare rum, men kemikere har skændtes i årtier om, hvorvidt de nogensinde havde skabt denne ting på Jorden. For et par år siden syntetiserede de imidlertid carbynkæder op til 44 atomer lange i opløsning.
Tankegangen har indtil nu været, at carbyne skal være ekstremt ustabil. Faktisk har nogle kemikere beregnet, at to tråde af carbyn, der kommer i kontakt, ville reagere eksplosivt.
Ikke desto mindre har nanoteknologer været fascineret af potentialet i dette materiale, fordi det burde være både stærkt og stift og derfor nyttigt. Men præcis hvor stærk og hvor stiv, har ingen været helt sikker på.
Det er her Liu og co træder ind. Disse fyre har ud fra de første principper beregnet bulkegenskaberne af carbyne, og resultaterne giver interessant læsning.
Til en start siger de, at carbyne er omkring dobbelt så stiv som de stiveste kendte materialer i dag. Carbon nanorør og grafen, for eksempel, har en stivhed på 4,5 x 10^8 N.m/kg, men carbyne topper dem med en stivhed på omkring 10^9 N.m/kg.
Lige så imponerende er det nye materiales styrke. Liu og co beregner, at det tager omkring 10 nanoNewton at bryde en enkelt streng carbyne. Denne kraft udmønter sig i en specifik styrke på 6,0–7,5×10^7 N∙m/kg, igen væsentligt bedre end alle kendte materialer inklusive grafen (4,7–5,5×10^7 N∙m/kg), kulstofnanorør (4,3–5,0) ×10^7 N∙m/kg) og diamant (2,5–6,5×107 N∙m/kg4), siger de.
Carbyne har også andre interessante egenskaber. Dens fleksibilitet er et sted mellem den for en typisk polymer og dobbeltstrenget DNA. Og når den er snoet, kan den enten rotere frit eller blive vridningsstiv afhængig af den kemiske gruppe, der er fastgjort til dens ende.
Måske mest interessant er Rice-holdets beregning af carbynes stabilitet. De er enige om, at to kæder, der er i kontakt, kan reagere, men der er en aktiveringsbarriere, der forhindrer, at dette sker. Denne barriere antyder levedygtigheden af carbyn i kondenseret fase ved stuetemperatur i størrelsesordenen af dage, konkluderer de.
Alt dette skulle vække appetit hos nanoteknologer, der håber på at designe stadigt mere eksotiske nanomaskiner, såsom nanoelektroniske og spintroniske enheder. I betragtning af de fremskridt, der sker i fremstillingen af disse ting, skal vi måske ikke vente længe, før nogen begynder at udnytte de ekstraordinære mekaniske egenskaber ved carbyne-kæder for alvor.
Ref: arxiv.org/abs/1308.2258 : Carbyne fra de første principper: Kæde af C-atomer, en nanorod eller en nanorope?