Forskere bruger mindst mulige diamanter til at danne ultratynde nanotråde

(Phys.org) – For første gang, forskere har opdaget, hvordan man producerer ultratynde "diamant nanotråde", der lover ekstraordinære egenskaber, inklusive styrke og stivhed større end nutidens stærkeste nanorør og polymerer. Et papir, der beskriver denne opdagelse af et forskerhold ledet af John V. Badding, en professor i kemi ved Penn State, blev offentliggjort i 21. september-udgaven af ​​tidsskriftet Naturmaterialer .

"Fra et fundamentalvidenskabeligt synspunkt, vores opdagelse er spændende, fordi de tråde, vi dannede, har en struktur, der aldrig er set før, " sagde Badding. Kernen i de nanotråde, som Baddings team lavede, er en lang, tynd streng af carbonatomer arrangeret ligesom den grundlæggende enhed af en diamants struktur - zig-zag "cyclohexan" ringe med seks carbonatomer bundet sammen, hvor hvert kulstof er omgivet af andre i den stærke trekantede pyramideform af et tetraeder. "Det er, som om en utrolig guldsmed har spændt de mindst mulige diamanter sammen til en lang miniature-halskæde, " sagde Badding. "Fordi denne tråd er diamant i hjertet, vi forventer, at det vil vise sig at være ekstraordinært stivt, ekstraordinært stærkt, og ekstraordinært nyttigt."

Holdets opdagelse kommer efter næsten et århundredes mislykkede forsøg fra andre laboratorier på at komprimere separate kulstofholdige molekyler som flydende benzen til en ordnet, diamantlignende nanomateriale. "Vi brugte den store højtryks-Paris-Edinburgh-enhed på Oak Ridge National Laboratory til at komprimere en 6-millimeter bred mængde benzen - en gigantisk mængde sammenlignet med tidligere eksperimenter, " sagde Malcolm Guthrie fra Carnegie Institution for Science, medforfatter til forskningsoplægget. "Vi opdagede, at langsomt at frigive trykket efter tilstrækkelig kompression ved normal stuetemperatur, gav kulstofatomerne den tid, de havde brug for til at reagere med hinanden og til at forbinde sig i en højt ordnet kæde af enkeltfilede kulstoftetraedere, danner disse diamantkerne nanotråde."

Baddings team er det første til at lokke molekyler indeholdende kulstofatomer til at danne den stærke tetraederform, forbind derefter hvert tetraeder ende til ende for at danne en lang, tynd nanotråd. Han beskriver trådens bredde som fænomenalt lille, kun få atomer på tværs, hundredtusindvis af gange mindre end en optisk fiber, enormt tyndere end et gennemsnitligt menneskehår. "Teori af vores medforfatter Vin Crespi antyder, at dette potentielt er det stærkeste, det stiveste materiale som muligt, samtidig med at den er let i vægt, " han sagde.

Molekylet, de komprimerede, er benzen - en flad ring, der indeholder seks carbonatomer og seks hydrogenatomer. Den resulterende diamantkerne nanotråd er omgivet af en halo af brintatomer. Under komprimeringsprocessen, forskerne rapporterer, de flade benzenmolekyler stables sammen, bøje og brække fra hinanden. Derefter, mens forskerne langsomt slipper presset, atomerne forbindes igen på en helt anden, men meget velordnet måde. Resultatet er en struktur, der har kulstof i den tetraedriske konfiguration af diamant med hydrogener hængende ud til siden og hver tetraeder bundet til en anden for at danne en lang, tynd, nanotråd.

"Det er virkelig overraskende, at denne form for organisation sker, " sagde Badding. "At benzenmolekylernes atomer binder sig sammen ved stuetemperatur for at danne en tråd er chokerende for kemikere og fysikere. I betragtning af tidligere eksperimenter, vi tror, ​​at når benzenmolekylet går i stykker under meget højt tryk, dens atomer vil gerne gribe fat i noget andet, men de kan ikke bevæge sig rundt, fordi trykket fjerner al mellemrummet mellem dem. Denne benzen bliver så meget reaktiv, så når vi slipper trykket meget langsomt, der sker en velordnet polymerisationsreaktion, der danner diamant-kerne nanotråden."

Forskerne bekræftede strukturen af ​​deres diamant nanotråde med en række teknikker i Penn State, Oak Ridge, Arizona State University og Carnegie Institution for Science, inklusive røntgendiffraktion, neutrondiffraktion, Raman spektroskopi, første princip beregninger, transmissionselektronmikroskopi og solid-state nuklear magnetisk resonans (NMR). Dele af disse første diamant nanotråde ser ud til at være noget mindre end perfekte, så forbedring af deres struktur er et fortsat mål for Baddings forskningsprogram. Han vil også gerne opdage, hvordan man kan lave flere af dem. "De høje tryk, som vi brugte til at lave det første diamant nanotrådmateriale, begrænser vores produktionskapacitet til kun et par kubikmillimeter ad gangen, så vi gør endnu ikke nok ud af det til at være nyttigt i industriel skala, " sagde Badding. "Et af vores videnskabelige mål er at fjerne denne begrænsning ved at finde ud af den kemi, der er nødvendig for at lave disse diamant nanotråde under mere praktiske forhold."

Nanotråden kan også være det første medlem af en ny klasse af diamantlignende nanomaterialer baseret på en stærk tetraedrisk kerne. "Vores opdagelse af, at vi kan bruge den naturlige justering af benzenmolekylerne til at guide dannelsen af ​​dette nye diamant nanotrådmateriale, er virkelig interessant, fordi det åbner muligheden for at lave mange andre slags molekyler baseret på kulstof og brint, " sagde Badding. "Du kan binde alle slags andre atomer omkring en kerne af kulstof og brint. Drømmen er at være i stand til at tilføje andre atomer, der ville blive inkorporeret i den resulterende nanotråd. Ved at sætte tryk på den væske, vi designer, vi kan muligvis lave et enormt antal forskellige materialer."

Potentielle applikationer, som mest interesserer Badding, er dem, der ville blive væsentligt forbedret ved at have overordentlig stærke, stive og lette materialer - især dem, der kunne hjælpe med at beskytte atmosfæren, inklusive lighter, mere brændstofeffektive og derfor mindre forurenende køretøjer. "En af vores vildeste drømme for de nanomaterialer, vi udvikler, er, at de kunne bruges til at gøre de superstærke, letvægtskabler, der ville gøre det muligt at bygge en "rumelevator", som hidtil kun har eksisteret som en science fiction idé, " sagde Badding.