211service.com
Ny form av kol är starkare än grafen och diamant
Det sjätte grundämnet, kol, har gett oss ett fantastiskt överflöd av extraordinära material. En gång fanns det helt enkelt kol, grafit och diamant. Men på senare år har kemister lagt till buckyballs, nanorör och hur många exotiska former som helst som skapats av grafen, den molekylära motsvarigheten till hönsnät.
Så det är svårt att tro att kol har fler överraskningar i rockärmen. Och idag beräknar Mingjie Liu och kompisar vid Rice University i Houston egenskaperna hos en annan form av kol som är starkare, styvare och mer exotisk än något kemister har sett tidigare.
Det nya materialet kallas carbyne. Det är en kedja av kolatomer som är länkade antingen genom alternerande trippel- och enkelbindningar eller genom på varandra följande dubbelbindningar.
Carbyne är något av ett mysterium. Astronomer tror att de har upptäckt dess signatur i det interstellära rymden, men kemister har bråkat i decennier om huruvida de någonsin hade skapat det här på jorden. För ett par år sedan syntetiserade de dock karbynkedjor upp till 44 atomer långa i lösning.
Tanken fram till nu har varit att karbyn måste vara extremt instabil. Vissa kemister har faktiskt beräknat att två karbynsträngar som kommer i kontakt skulle reagera explosivt.
Ändå har nanoteknologer fascinerats av potentialen hos detta material eftersom det borde vara både starkt och styvt och därför användbart. Men exakt hur stark och hur stel har ingen varit helt säker på.
Det är här Liu och co går in. De här killarna har från första principer beräknat karbynens bulkegenskaper och resultaten gör det intressant att läsa.
Till att börja med säger de att karbyn är ungefär dubbelt så styv som de styvare kända materialen idag. Kolnanorör och grafen har till exempel en styvhet på 4,5 x 10^8 N.m/kg men karbyn toppar dem med en styvhet på runt 10^9 N.m/kg.
Lika imponerande är det nya materialets styrka. Liu och co beräknar att det krävs cirka 10 nanoNewton för att bryta en enda karbynsträng. Denna kraft översätts till en specifik styrka på 6,0–7,5×10^7 N∙m/kg, vilket återigen överträffar alla kända material inklusive grafen (4,7–5,5×10^7 N∙m/kg), kolnanorör (4,3–5,0) ×10^7 N∙m/kg) och diamant (2,5–6,5×107 N∙m/kg4), säger de.
Carbyne har också andra intressanta egenskaper. Dess flexibilitet ligger någonstans mellan den för en typisk polymer och dubbelsträngat DNA. Och när den vrids kan den antingen rotera fritt eller bli vridstyv beroende på den kemiska gruppen som är fäst vid dess ände.
Kanske mest intressant är Rice-teamets beräkning av carbynes stabilitet. De är överens om att två kedjor i kontakt kan reagera men det finns en aktiveringsbarriär som förhindrar att detta händer lätt. Denna barriär antyder livskraften för karbyn i kondenserad fas vid rumstemperatur i storleksordningen dagar, avslutar de.
Allt detta borde väcka aptiten hos nanoteknologer som hoppas kunna designa allt mer exotiska nanomaskiner, såsom nanoelektroniska och spintroniska enheter. Med tanke på de framsteg som görs i tillverkningen av dessa grejer, kanske vi inte har länge att vänta innan någon börjar utnyttja de extraordinära mekaniska egenskaperna hos carbyne-kedjor på riktigt.
Ref: arxiv.org/abs/1308.2258 : Carbyne From First Principles: Chain Of C Atoms, A Nanorod Eller A Nanorope?