211service.com
Glöm grafen- och kolnanorör, gör dig redo för diamantnanotråd
Det går knappt en vecka utan att någon tillkännager en ny applikation för grafen, den form av kol som förekommer i enstaka ark med kycklingtrådsliknande struktur (se Forskningstips vid Graphene’s Photovoltaic Potential). Rulla ett grafenark till ett rör och det bildar ett kolnanorör, ett annat undermaterial med många användningsområden. Och linda in den ytterligare till en boll och, med en liten omarrangering av bindningar, bildar den buckyballs.
Nu finns det en ny unge på kolblocket. Förra månaden meddelade ett team vid Pennsylvania State University och på andra håll att de hade skapat en annan typ av kol som tar formen av en endimensionell diamantkristall täckt med väte. De kallar detta nya material för diamant nanotråd.
Det väckte en del spänning och väckte några intressanta frågor. Materialforskare är fascinerade av de potentiella egenskaperna hos en diamantnantråd och dess tillämpningar. Men en rädsla är att en sådan tråd skulle vara så skör att den skulle splittras som glas under alla typer av belastning, en egenskap som kraftigt skulle begränsa dess användning.
Idag får vi lite ny insikt i diamant nanotrådar tack vare Haifei Zhans arbete vid Queensland University of Technology i Australien och några kompisar. Dessa killar har modellerat trådarna med hjälp av storskaliga simuleringar av molekylär dynamik. Och de drar slutsatsen att materialet kunde vara mer mångsidigt än någon trodde. Det finns preliminära tecken på att diamant nanotråd kan vara ett nytt underverk i sig.
Penn State-teamet tillverkade nanotråden från bensenmolekyler, enkla ringar av kolatomer. Det är inte svårt att se hur en bunt av dessa kan bindas på ett sätt som bildar en tråd.
Och det är precis vad Penn State-laget gjorde. De staplade molekylerna i en linje, placerade den under tryck så att molekylerna polymeriserade och, voila, skapade en diamant nanotråd.
Det låter enkelt i teorin men komplexiteten beror på hur kolatomerna kan binda. Olika konfigurationer är möjliga, och frågan som Zhan och co undersöker är hur trådens egenskaper beror på dessa arrangemang.
Zhan och co tittar särskilt på de två vanligaste konfigurationerna. Den första är enkel polymeriserad bensen - en bunt av dessa ringar sammanbundna. Detta är en stel molekyl som blir allt skörare när den blir längre. Att konstruera något komplext med långa sektioner av poly-bensen skulle vara som att försöka sy med som okokt spagetti.
Men det finns en annan konfiguration av kolatomer som kallas Stone-Wales-defekter, och dessa är mycket mer formbara. Faktum är att Stone-Wales-defekterna fungerar som gångjärn som förbinder sektioner av poly-bensen.
Zhan och co simulerar hur egenskaperna hos nanotråden varierar när tätheten av dessa defekter ökar. Och de drar slutsatsen att när densiteten passerar en viss tröskel ändras tråden plötsligt från spröd till helt flexibel – snarare som skillnaden mellan okokt och kokt spagetti.
Det är ett intressant resultat. Det innebär att egenskapen hos nanotråden kan justeras helt enkelt genom att kontrollera tätheten av Stone-Wales-defekter längs dess längd. Så vissa delar av tråden kan göras styva, medan andra är helt flexibla.
Hur är det med potentiella applikationer? Dess mycket avstämbara duktilitet tillsammans med dess ultralätta densitet och höga Youngs modul gör diamantnanotråd idealisk för att skapa extremt starka tredimensionella nano-arkitekturer, säger Zhan och co.
Naturligtvis är detta arbete bara en simulering. Det kommer nästan säkert att finnas skillnader mellan dess förutsägelser och beteendet hos diamantnanotrådar i den verkliga världen. Så nästa steg blir för materialforskare att skapa några nanotrådsbyggsatser och börja mäta detta materials egenskaper på riktigt.
Med tanke på det enorma intresset för kolarkitektur och de enorma summor pengar som hälls in på detta område – bara Europeiska unionen har ett forskningsprojekt på 1 miljard euro som enbart fokuserar på grafen – kommer det säkert inte att dröja länge innan vi ser diamantnantrådar i köttet och några av de extraordinära tillämpningar som det borde möjliggöra.
Ref: arxiv.org/abs/1511.01583 : Från spröd till duktil: En strukturberoende duktilitet hos diamantnantråd