Langhypoteseret næste generations vidundermateriale skabt for første gang

I over et årti har forskere forsøgt at syntetisere en ny form for kulstof kaldet grafyn med begrænset succes. Den bestræbelse er dog nu ved at være slut, takket være ny forskning fra University of Colorado Boulder.

Grafyn har længe været interessant for videnskabsmænd på grund af dets ligheder med "vidundermaterialet" grafen – en anden form for kulstof, som er højt værdsat af industrien, hvis forskning endda blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2010. Men på trods af årtiers arbejde og teoretikere, er kun nogle få fragmenter nogensinde blevet skabt før nu.

Denne forskning blev annonceret i sidste uge i Nature Synthesis , udfylder et langvarigt hul inden for kulstofmaterialevidenskab, hvilket potentielt åbner helt nye muligheder for forskning i elektronik, optik og halvledende materiale.

"Hele publikum, hele feltet, er virkelig begejstrede for, at dette langvarige problem eller dette imaginære materiale endelig bliver realiseret," sagde Yiming Hu, hovedforfatter på papiret og 2022 doktorgraduat i kemi.

Forskere har længe været interesseret i konstruktionen af ​​nye eller nye kulstofallotroper eller former for kulstof på grund af kulstofs anvendelighed for industrien såvel som dets alsidighed.

Der er forskellige måder, hvorpå carbonallotroper kan konstrueres afhængigt af, hvordan sp2, sp3 og sp hybridiserede carbon (eller de forskellige måder, carbonatomer kan binde til andre grundstoffer på) og deres tilsvarende bindinger, bruges. De mest kendte kulstofallotroper er grafit (bruges i værktøjer som blyanter og batterier) og diamanter, som er skabt af henholdsvis sp2-kulstof og sp3-kulstof.

Ved at bruge traditionelle kemimetoder har forskere med succes skabt forskellige allotroper gennem årene, herunder fulleren (hvis opdagelse vandt Nobelprisen i kemi i 1996) og grafen.

Disse metoder tillader dog ikke, at de forskellige typer kulstof syntetiseres sammen i nogen form for stor kapacitet, som det, der kræves til grafyn, som har efterladt det teoretiserede materiale - spekuleret i at have unikke elektronledende, mekaniske og optiske egenskaber - at forblive det:en teori.

Men det var også behovet for det utraditionelle, der fik dem i marken til at nå ud til Wei Zhangs laboratoriegruppe.

Zhang, professor i kemi ved CU Boulder, studerer reversibel kemi, som er kemi, der tillader bindinger at korrigere sig selv, hvilket muliggør skabelsen af ​​nye ordnede strukturer eller gitter, såsom syntetiske DNA-lignende polymerer.

Efter at være blevet kontaktet besluttede Zhang og hans laboratoriegruppe at give det en chance.

At skabe grafyn er et "virkelig gammelt, mangeårigt spørgsmål, men da de syntetiske værktøjer var begrænsede, faldt interessen," Hu, som var ph.d. studerende i Zhangs laboratoriegruppe, kommenterede. "Vi bragte problemet frem igen og brugte et nyt værktøj til at løse et gammelt problem, som er virkelig vigtigt."

Brug af en proces kaldet alkynmetatese - som er en organisk reaktion, der indebærer omfordeling eller skæring og reformering af alkynkemiske bindinger (en type kulbrinte med mindst en kulstof-kulstof tredobbelt kovalent binding) - såvel som termodynamik og kinetisk kontrol , var gruppen i stand til at skabe det, der aldrig var blevet skabt før:Et materiale, der kunne konkurrere med grafenens ledningsevne, men med kontrol.

"Der er en ret stor forskel (mellem grafen og grafyn), men på en god måde," sagde Zhang. "Dette kunne være næste generations vidundermateriale. Det er derfor, folk er meget begejstrede."

Selvom materialet er blevet oprettet med succes, ønsker teamet stadig at se nærmere på de særlige detaljer i det, herunder hvordan man skaber materialet i stor skala, og hvordan det kan manipuleres.

"Vi forsøger virkelig at udforske dette nye materiale fra flere dimensioner, både eksperimentelt og teoretisk, fra atomniveau til rigtige enheder," sagde Zhang om de næste trin.

Disse bestræbelser skal igen hjælpe med at finde ud af, hvordan materialets elektronledende og optiske egenskaber kan bruges til industriapplikationer som lithium-ion-batterier.

"Vi håber, at vi i fremtiden kan sænke omkostningerne og forenkle reaktionsproceduren, og så kan folk forhåbentlig virkelig drage fordel af vores forskning," sagde Hu.

For Zhang kunne dette aldrig have været opnået uden støtte fra et tværfagligt team og tilføjede:"Uden støtte fra fysikafdelingen, uden støtte fra kolleger, kunne dette arbejde sandsynligvis ikke udføres." + Udforsk yderligere

Syntese af todimensionel holey graphyne