Kulstof ny mester:Teoretikere beregner atom-tykke carbyne-kæder kan være det stærkeste materiale nogensinde

(Phys.org) —Carbyne vil være den stærkeste af en ny klasse af mikroskopiske materialer, hvis og når nogen kan klare det i løs vægt.

Hvis de gør, de finder carbyne nanoroder eller nanoroper har et væld af bemærkelsesværdige og nyttige egenskaber, som beskrevet i en ny artikel af Rice Universitys teoretiske fysiker Boris Yakobson og hans gruppe. Avisen vises i denne uge i American Chemical Society journal ACS Nano .

Carbyne er en kæde af carbonatomer, der holdes sammen af ​​enten dobbelt eller alternerende enkelt- og tredobbelte atombindinger. Det gør det til et sandt endimensionelt materiale, i modsætning til atom-tynde ark af grafen, der har en top og en bund eller hule nanorør, der har en indvendig og udvendig.

Ifølge portrættet trukket fra beregninger af Yakobson og hans gruppe:

• Carbynes trækstyrke - evnen til at modstå stræk - overgår "det for ethvert andet kendt materiale" og er det dobbelte af grafen. (Forskere havde allerede beregnet, at det ville tage en elefant på en blyant at bryde igennem et ark grafen.)
• Det har to gange trækstivheden af ​​grafen og kulnanorør og næsten tre gange diamantens.
• Stretching carbyne så lidt som 10 procent ændrer sit elektroniske båndgab betydeligt.
• Hvis udstyret med molekylære håndtag i enderne, den kan også vrides for at ændre dens båndgab. Med en 90-graders ende-til-ende rotation, det bliver en magnetisk halvleder.
• Carbyne -kæder kan tage sidemolekyler på, der kan gøre kæderne velegnede til energilagring.
• Materialet er stabilt ved stuetemperatur, stort set modstå tværbånd med nærliggende kæder.

Det er et bemærkelsesværdigt sæt kvaliteter for en simpel streng af carbonatomer, Sagde Yakobson.

"Du kan se det som et i sidste ende tyndt grafenbånd, reduceret til kun et atom, eller et i sidste ende tyndt nanorør, "sagde han. Det kan være nyttigt for nanomekaniske systemer, i spintronic -enheder, som sensorer, som stærke og lette materialer til mekaniske anvendelser eller til energilagring.

"Uanset applikationer, " han sagde, "fagligt, det er meget spændende at kende den stærkest mulige samling af atomer. "

Baseret på beregningerne, han sagde, at carbyne kan være den højeste energitilstand for stabilt kulstof. "Folk leder normalt efter det, der kaldes 'grundtilstanden, 'den lavest mulige energikonfiguration for atomer, "Sagde Yakobson." For kulstof, det ville være grafit, efterfulgt af diamant, derefter nanorør, derefter fulderener. Men ingen spørger om den højeste energikonfiguration. Vi tror, ​​det kan være det, en stabil struktur med den højest mulige energi. "

Teorier om carbyne dukkede først op i det 19. århundrede, og en tilnærmelse af materialet blev først syntetiseret i Sovjetunionen i 1960. Carbyne er siden blevet set i komprimeret grafit, er blevet opdaget i interstellært støv og er blevet skabt i små mængder af eksperimentelle.

"Jeg har altid været interesseret i stabiliteten af ​​i sidste ende tynde tråde af alt og hvor tynd en stang du kan lave af et givet kemikalie, "Sagde Yakobson." Vi havde et papir for 10 år siden om silicium, hvor vi undersøgte, hvad der sker med silicon -nanotråd, når det bliver tyndere. Til mig, dette var bare en del af det samme spørgsmål. "

Risforskerne, ledet af Ris -kandidatstuderende Mingjie Liu og postdoktorforsker Vasilii Artyukhov, kendte til en række papirer, der beskrev den ene eller anden ejendom af carbyne. De satte sig for at detaljerede carbyne med computermodeller ved hjælp af førsteprincipregler til at bestemme atomers energiske interaktioner, Sagde Artyukhov.

"Vores hensigt var at sammensætte det hele, at konstruere et komplet mekanisk billede af carbyne som materiale, "Artyukhov sagde." Det faktum, at det er blevet observeret, fortæller os, at det er stabilt under spændinger, i det mindste, for ellers ville det bare falde fra hinanden. "

Yakobson sagde, at forskerne var overraskede over at opdage, at bandgabet i carbyne var så følsomt for vridning. "Det vil være nyttigt som en sensor til torsion eller magnetiske felter, hvis du kan finde en måde at vedhæfte det til noget, der får det til at vride sig, "sagde han." Vi ledte ikke efter dette, specifikt; det kom op som et biprodukt. "

"Det er det gode ved at studere tingene omhyggeligt, "Sagde Artyukhov.

Et andet fund af stor interesse var energibarrieren, der forhindrer atomer på tilstødende karbinkæder i at falde sammen i hinanden. "Når du taler om teoretisk materiale, du skal altid være forsigtig med at se, om det vil reagere med sig selv, "Artyukhov sagde." Dette er aldrig rigtig blevet undersøgt for carbyne. "

Litteraturen syntes at indikere carbyne "ikke var stabil og ville danne grafit eller sod, " han sagde.

I stedet, forskerne fandt kulstofatomer på separate strenge kan overvinde barrieren på ét sted, men stængernes stivhed ville forhindre dem i at komme sammen et andet sted, i hvert fald ved stuetemperatur. "De ville ligne sommerfuglvinger, "Sagde Artyukhov.

"Bundter kan klæbe til hinanden, men de ville ikke kollapse helt, "Tilføjede Yakobson." Det kunne give en meget porøs, tilfældigt net, der kan være godt for adsorption. "Artyukhov sagde, at det nominelle specifikke område af carbyne er omkring fem gange arealet af grafen.

Da teamets papir blev tilgængelig i sommer på arXiv, den videnskabelige presse og endda nogle af den populære presse var så begejstrede for beregningerne, at de tog fat på papiret og dets konsekvenser, inden teamet indsendte det til peer review. Nu hvor hele papiret er klar til offentligt forbrug, forskerne sagde, at de vil føre deres undersøgelse i nye retninger.

De tager et mere grundigt kig på carbynes ledningsevne og tænker også på andre elementer. "Vi har talt om at gå igennem forskellige elementer i det periodiske system for at se, om nogle af dem kan danne endimensionelle kæder, "Sagde Yakobson.