קרבין - פחמן חד מימדי

כפי שדיווח כתב העת Nature Materials באוקטובר 2016, מדענים מהפקולטה לפיזיקה באוניברסיטת וינה הצליחו למצוא דרך לייצר קרבין יציב, כלומר. פחמן חד מימדי, הנחשב לחזק אף יותר מגרפן (פחמן דו מימדי).

עדיין נחשב כתקווה גדולה ומבשר של המהפכה החומרית, עוד לפני שהפכה למציאות בטכנולוגיה, גרפן כבר עשוי להיות מודח על ידי בן דודו המבוסס על פחמן - קרבין. חישובים הראו כי חוזק המתיחה של קרבין גבוה פי שניים מזה של גרפן, בעוד קשיחות המתיחה שלו נשארת גבוהה פי שלושה מזו של יהלום. קארבין יציב (תיאורטית) בטמפרטורת החדר, וכאשר הגדילים שלו מאוחסנים יחד, הם מצטלבים בצורה צפויה.

זוהי צורה אלוטרופית של פחמן עם מבנה פוליאלקין (C≡C)n, שבה אטומים יוצרים שרשראות ארוכות עם קשרים בודדים ומשולשים לסירוגין או קשרים כפולים מצטברים. מערכת כזו נקראת מבנה חד-ממדי (1D) מכיוון ששום דבר אחר אינו מחובר ללהט בעובי אטום אחד. המבנה של הגרפן נשאר דו מימדי, שכן הוא ארוך ורחב, אך עובי היריעות הוא רק אטום אחד. מחקר שנעשה עד כה מצביע על כך שהצורה החזקה ביותר של קרבינר תהיה שני חוטים השזורים זה בזה (1).

עד לאחרונה, מעט היה ידוע על הקרבין. אסטרונומים אומרים שהוא זוהה לראשונה במטאוריטים ואבק בין כוכבי.

מינגג'י ליו וצוות מאוניברסיטת רייס חישבו את התכונות התיאורטיות של הקרבין, מה שיכול לעזור במחקר אמפירי. החוקרים הציגו ניתוח תוך התחשבות בבדיקות לחוזק מתיחה, חוזק כיפוף ועיוות פיתול. הם חישבו שהחוזק הספציפי של קרבין (כלומר יחס חוזק למשקל) הוא ברמה חסרת תקדים (6,0-7,5×107 N∙m/kg) בהשוואה לגרפן (4,7-5,5. 107×4,3 N∙m/kg), ננו-צינורות פחמן (5,0-107×2,5 N∙m/kg) ויהלום (6,5-107×10 N∙m/kg). שבירת קשר בודד בשרשרת של אטומים דורשת כוח של כ-14 nN. אורך השרשרת בטמפרטורת החדר הוא כ-XNUMX ננומטר.

על ידי הוספה קבוצה פונקציונלית CH2 קצה שרשרת הקרבין יכול להיות מעוות כמו גדיל DNA. על ידי "קישוט" שרשראות קרבינרים במולקולות שונות, ניתן לשנות תכונות אחרות. תוספת של אטומי סידן מסוימים הנקשרים עם אטומי מימן תגרום לספוג אחסון מימן בצפיפות גבוהה.

תכונה מעניינת של החומר החדש היא היכולת ליצור קשרים עם שרשראות צד. ניתן להשתמש בתהליך היצירה והשבירה של קשרים אלו לאגירה ושחרור של אנרגיה. כך, קרבינר יכול לשמש כחומר יעיל מאוד לאגירת אנרגיה, שכן המולקולות שלו הן בקוטר של אטום אחד, וחוזק החומר גורם לכך שניתן יהיה ליצור ולשבור קשרים שוב ושוב ללא סיכון להישבר. המולקולה עצמה מתפרקת.

הכל מצביע על כך שמתיחה או פיתול של הקרבינה משנה את תכונותיו החשמליות. תיאורטיקנים אפילו הציעו למקם "ידיות" מיוחדות בקצות המולקולה, שיאפשרו לך לשנות במהירות ובקלות את המוליכות או פער הרצועות של קרבין.

2. שרשרת קרבינרים בתוך מבנה גרפן

למרבה הצער, כל התכונות הידועות וטרם התגלו של הקרבין יישארו רק תיאוריה יפה אם לא נוכל לייצר את החומר בזול ובכמויות גדולות. כמה מעבדות מחקר דיווחו על הכנת קרבין, אבל החומר הוכח מאוד לא יציב. כמה כימאים מאמינים גם שאם נחבר שני גדילים של קרבינה, יהיו הפיצוץ. באפריל השנה התקבלו דיווחים על פיתוח של קרבינר יציב בצורת חוטים בתוך "הקירות" של מבנה הגרפן (2).

אולי המתודולוגיה של אוניברסיטת וינה שהוזכרה בהתחלה היא פריצת דרך. אנחנו צריכים לגלות בקרוב.