Topologien af ​​uordnede 3-D grafener:Rosalind Franklins præ-DNA-problem løst ud

Uordnede tredimensionelle grafener er kulstofmaterialer, der findes i batterier, vand filtre, gasmasker, højtemperatur keramik, elektrokemiske sensorer og isolering. De har også mere specialiserede anvendelser, såsom at beskytte Parkers solsonde-rumfartøj mod at brænde op, når det nærmer sig solen.

Rosalind Franklin, videnskabsmanden, der senere skulle udlede den spiralformede geometri af DNA, opdagede først denne klasse af materialer i 1951. De fleste kulstofholdige materialer udvikler små lagdelte områder af grafen, når de opvarmes. Ved yderligere opvarmning, til tusindvis af grader, hun fandt (til sin overraskelse) en fuldstændig modvilje mod kulstoffet til at omdanne til den mest stabile form for kulstofgrafit, gør den yderst metastabil.

Forklaringer på denne modvilje mod at grafitisere har centreret sig omkring enten tværbindinger i strukturen, knyttede båndlignende strukturer eller vridning af arkene til skål- eller sadelformede geometrier. Imidlertid, eksperimenter var ude af stand til at løse og kombinere disse forslag til en sammenhængende model af nanostrukturen.

Forskere fra Curtin University, Australien og University of Cambridge har nu offentliggjort en mulig løsning på Franklins problem i Fysiske anmeldelsesbreve . De vendte sig til simuleringer i stor skala ved hjælp af Australiens Pawsey-supercomputer til selv at samle de største og mest nøjagtige netværk af uordnede 3-D-grafener til dato.

De udviklede et nyt mål for den globale krumning af netværkene og fandt ud af, at for alle tætheder, overskydende sadelformede grafenplader er til stede. Disse sadelformer er forårsaget af integrationen af ​​7- eller 8-leddede ringe i det sekskantede grafen-netværk. Denne vridning giver den mulighed for at forbinde i 3-D, og ​​forskerne foreslår, at det er årsagen til materialets modstand mod at omdannes til grafit.

Hvad med Franklins små områder af lagdelt grafen? Forskerne fandt ud af, at ved at øge tætheden af ​​materialet, grafenpladerne viklet op som en vindeltrappe. Denne skrue- eller helixdefekt er velkendt i grafit, men er ikke blevet foreslået i disse uordnede materialer. En række andre defekter blev opdaget, som løser mange problemer med, at grafen-netværket både er buet og lagdelt.

Disse resultater åbner op for muligheder for at forstå og konstruere kulstofmaterialer til applikationer i superkondensatorer, kulfiber og højtemperatur keramikapplikationer. Imidlertid, mere arbejde er nødvendigt for at eksperimentelt bekræfte nogle aspekter af modellen.

Med hensyn til nye ansøgninger, forskerne foreslår, at kulstofmaterialer kunne tunes topologisk og optimeres til et givet produkt. For eksempel, og af særlig industriel betydning for fremstilling af batterier og elektroder, forstyrret kulstof kunne omdannes til grafit (i stedet for at stole på uholdbar minedrift).

Der er en glædelig forbindelse med Franklins senere arbejde med DNA, idet løsningen på hendes tidligere problem med ikke-grafitiserbarhed i kulstofmaterialer også kunne ligge i topologi og den berømte helixstruktur.