Schwarzites:Langt søgt kulstofstruktur forbinder grafen, fulleren familie

Opdagelsen af ​​buckyballs overraskede og glædede kemikere i 1980'erne, nanorør jazzede fysikere i 1990'erne, og grafen opladede materialeforskere i 2000'erne, men én kulstofstruktur på nanoskala - en negativt buet overflade kaldet en schwarzit - har unddraget sig alle. Indtil nu.

University of California, Berkeley, kemikere har bevist, at tre kulstofstrukturer for nylig skabt af forskere i Sydkorea og Japan i virkeligheden er de længe søgte schwarziter, som forskere forudser vil have unikke elektriske og opbevaringsegenskaber som dem, der nu opdages i buckminsterfullerener (buckyballs eller fullerener for korte), nanorør og grafen.

De nye strukturer blev bygget inde i zeolitternes porer, krystallinske former for siliciumdioxid - sand - mere almindeligt brugt som blødgøringsmidler i vaskemidler og til katalytisk at knække petroleum til benzin. Kaldet zeolit-templatede carboner (ZTC), strukturerne blev undersøgt for mulige interessante ejendomme, selvom skaberne var uvidende om deres identitet som schwarzites, som teoretiske kemikere har arbejdet på i årtier.

Med udgangspunkt i dette teoretiske arbejde, kemikere forudsiger, at schwarzites vil have unikke elektroniske, magnetiske og optiske egenskaber, der ville gøre dem nyttige som superkondensatorer, batterielektroder og katalysatorer, og med store indvendige rum ideel til gasopbevaring og -adskillelse.

UC Berkeley postdoc Efrem Braun og hans kolleger identificerede disse ZTC materialer som schwarziter baseret på deres negative krumning, og udviklet en måde at forudsige, hvilke zeolitter der kan bruges til at lave schwarziter og hvilke der ikke kan.

"Vi har nu opskriften på, hvordan man laver disse strukturer, hvilket er vigtigt, fordi hvis vi kan lave dem, vi kan udforske deres adfærd, som vi arbejder hårdt på at gøre nu, sagde Berend Smit, en adjungeret professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved UC Berkeley og en ekspert i porøse materialer såsom zeolitter og metalorganiske rammer.

Smit, papirets tilsvarende forfatter, Braun og deres kolleger i Schweiz, Kina, Tyskland, Italien og Rusland vil rapportere deres opdagelse i denne uge i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

Leger med kulstof

Diamant og grafit er velkendte tredimensionelle krystallinske arrangementer af rent kulstof, men kulstofatomer kan også danne todimensionelle "krystaller" - sekskantede arrangementer mønstret som hønsenet. Grafen er et sådant arrangement:et fladt ark af kulstofatomer, der ikke kun er det stærkeste materiale på Jorden, men har også en høj elektrisk ledningsevne, der gør den til en lovende komponent i elektroniske enheder.

Grafenplader kan vadtes op for at danne fodboldformede fullerener - sfæriske kulstofbure, der kan opbevare molekyler og bruges i dag til at levere lægemidler og gener ind i kroppen. Rulning af grafen til en cylinder giver fullerener kaldet nanorør, som i dag udforskes som stærkt ledende ledninger i elektronik og lagerbeholdere til gasser som brint og kuldioxid. Alle disse er submikroskopiske, 10, 000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår.

Til dato, imidlertid, kun positivt buede fullerener og grafen, som har nul krumning, er blevet syntetiseret, bedrifter belønnet med Nobelpriser i 1996 og 2010, henholdsvis.

I 1880'erne, Den tyske fysiker Hermann Schwarz undersøgte negativt buede strukturer, der ligner sæbebobleoverflader, og da det teoretiske arbejde med kulstofburmolekyler tog fart i 1990'erne, Schwarz' navn blev knyttet til de hypotetiske negativt buede carbonplader.

"Den eksperimentelle validering af schwarzitter fuldender således triumviratet af mulige krumninger til grafen; positivt buet, flad, og nu negativt buet, "Tilføjede Braun.

Minimer mig

Som sæbebobler på trådrammer, schwarziter er topologisk minimale overflader. Når det er lavet inde i en zeolit, en damp af kulstofholdige molekyler injiceres, lader kulstoffet samle sig til et todimensionelt grafenlignende ark, der beklæder væggene af porerne i zeolitten. Overfladen strækkes stramt for at minimere dens areal, hvilket får alle overfladerne til at kurve negativt, som en sadel. Zeolitten opløses derefter, efterlader schwarziten.

"Disse negativt buede carboner har været meget svære at syntetisere på egen hånd, men det viser sig, at man kan dyrke kulstoffilmen katalytisk ved overfladen af ​​en zeolit, "Sagde Braun." Men de schwarzitter, der er syntetiseret til dato, er blevet fremstillet ved at vælge zeolitskabeloner gennem forsøg og fejl. Vi giver meget enkle instruktioner, du kan følge for rationelt at lave schwarzites, og vi viser, at ved at vælge den rigtige zeolit, du kan indstille schwarzitter for at optimere de egenskaber, du ønsker. "

Forskere burde være i stand til at pakke usædvanligt store mængder elektrisk ladning ind i schwarziter, hvilket ville gøre dem til bedre kondensatorer end konventionelle, der bruges i dag i elektronik. Deres store indre volumen ville også tillade opbevaring af atomer og molekyler, som også udforskes med fullerener og nanorør. Og deres store overfladeareal, svarende til overfladearealerne af zeolitterne, de dyrkes i, kunne gøre dem lige så alsidige som zeolitter til at katalysere reaktioner i olie- og naturgasindustrien.

Braun modellerede ZTC-strukturer ved hjælp af de kendte strukturer af zeolitter, og arbejdede med topologisk matematiker Senja Barthel fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Sion, Schweiz, at bestemme, hvilke af de minimale overflader strukturerne lignede.

Holdet fastslog, at af de cirka 200 zeolitter, der er skabt til dato, kun 15 kan bruges som skabelon til at lave schwarzites, og kun tre af dem er blevet brugt til dato til at producere schwarzite ZTC'er. Over en million zeolitstrukturer er blevet forudsagt, imidlertid, så der kunne være mange flere mulige schwarzit-carbonstrukturer fremstillet ved hjælp af zeolit-skabelonmetoden.