Forskere præsenterer et direkte første bevis på stabil, ultralange 1D kulstofkæder

Elementært kulstof optræder i mange former, inklusive diamant, fullerener og grafen, som har unikke strukturelle, elektronisk, mekanisk, transport og optiske egenskaber, der tilbyder en bred vifte af applikationer inden for fysik, kemi og materialevidenskab. Disse omfatter kompositmaterialer, lysemitterende enheder i nanoskala og materialer til energihøst.

Inden for "kulstoffamilien, "kun carbyne, en virkelig endimensionel form for kulstof, er endnu ikke blevet syntetiseret på trods af at have været undersøgt i mere end 50 år. Dens ekstreme ustabilitet under omgivende forhold gjorde det endelige eksperimentelle bevis for dets eksistens svært at opnå. Et internationalt samarbejde af forskere har udviklet en ny rute til bulkproduktion af kulstofkæder bestående af mere end 6, 400 kulstofatomer ved at bruge tynde, dobbeltvæggede kulstof nanorør som beskyttende værter for kæderne.

Disse resultater er offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer og repræsentere en elegant forløber mod det endelige mål for Carbynes bulkproduktion. Udover de potentielle anvendelser, disse resultater åbner mulighed for at besvare grundlæggende spørgsmål om elektronkorrelationer, elektron-fonon-interaktioner og kvantefaseovergange i endimensionelle materialer.

Selv i sin elementære form, den høje bindings-alsidighed af carbon giver mange velkendte materialer, herunder diamant og grafit. Et enkelt lag grafit, kaldet grafen, kan rulles eller foldes til kulstof nanorør eller fullerener, henholdsvis. Til dato, Nobelpriser er blevet uddelt for grundlæggende arbejde med både grafen (2010) og fullerener (1996). Selvom eksistensen af ​​lineært acetylenisk kulstof, en uendelig lang kulstofkæde også kaldet carbyne, blev foreslået i 1885 af Adolf von Baeyer, som modtog en Nobelpris for sine overordnede bidrag til organisk kemi i 1905, videnskabsmænd har endnu ikke været i stand til at syntetisere dette materiale. Von Baeyer foreslog endda, at carbyne ville forblive undvigende, da dens høje reaktivitet altid ville føre til dens øjeblikkelige ødelæggelse. Alligevel, kulstofkæder af stigende længde er blevet syntetiseret med succes over de sidste 50 år.

Indtil nu, rekordholderen er en kæde bestående af omkring 100 kulstofatomer (2003). Denne rekord er nu blevet slået med en faktor på mere end 50 med den første demonstration af mikrometer-skala kæder, rapporteret i Naturmaterialer i dag. Forskere fra universitetet i Wien ledet af Thomas Pichler har udviklet en ny og enkel tilgang til at stabilisere kulstofkæder med en rekordlængde på mere end 6, 400 kulstofatomer.

De bruger det lukkede rum inde i et dobbeltvægget kulstofnanorør som en nanoreaktor til at dyrke ultralange kulstofkæder i bulkskala. Kædernes eksistens er entydigt blevet bekræftet ved at bruge et væld af sofistikerede, komplementære metoder. Disse omfatter brug af temperaturafhængig, nær- og fjernfelt Raman-spektroskopi med forskellige lasere (til undersøgelse af elektroniske og vibrationsegenskaber), højopløsningstransmissionselektronspektroskopi (til direkte observation af carbyn inde i kulstofnanorørene) og røntgenspredning (til bekræftelse af bulkkædevækst). "Det direkte eksperimentelle bevis på indesluttede ultralange lineære kulstofkæder, som er to størrelsesordener længere end de hidtil længste dokumenterede kæder, er et lovende skridt mod det endelige mål med at optrevle den hellige gral af ægte 1D carbon allotroper, carbyne, " forklarer Lei Shi, avisens første forfatter.

Carbyne er meget stabil inde i dobbeltvæggede carbon nanorør. Denne egenskab er afgørende for dens eventuelle anvendelse i fremtidige materialer og enheder. Ifølge teoretiske modeller, Carbynes mekaniske egenskaber overstiger alle kendte materialer, udkonkurrerer både grafen og diamant (f.eks. den er 40 gange stivere end diamant, dobbelt så stiv som grafen og har en højere trækstyrke end alle andre kulstofmaterialer).

Carbynes elektriske egenskaber afhænger af længden af ​​den endimensionelle kæde, og foreslår således nye nanoelektroniske applikationer inden for kvantespintransport og magnetiske halvledere, ud over dens generelle appel inden for fysik og kemi. "Dette arbejde gav et eksempel på et meget effektivt og frugtbart samarbejde mellem eksperimenter og teori for at optrevle og kontrollere de elektroniske og mekaniske egenskaber ved lavdimensionelle, kulstofbaserede materialer. Det førte til syntesen og karakteriseringen af ​​den længste lineære kulstofkæde nogensinde. Disse resultater udgør det grundlæggende testbed for eksperimentelle undersøgelser vedrørende elektronkorrelation og kvantedynamiske faseovergange i afgrænsede geometrier, som ikke var mulige før. Desuden, de mekaniske og elektroniske egenskaber af carbyne er usædvanlige og antyder et væld af nye muligheder for design af nanoelektroniske såvel som optomekaniske enheder, " slutter Angel Rubio.