Karbin – odmiana węgla lepsza niż grafen

Forma węgla, nazwana przez naukowców karbinem, jest mocniejsza i sztywniejsza niż jakikolwiek znany do tej pory materiał. Karbin jest około dwa razy bardziej wytrzymały niż grafen i nanorurki węglowe.

Karbin (z ang. carbyne) posiada długą listę nietypowych i bardzo pożądanych właściwości, które czynią go interesującym materiałem do wielu różnych zastosowań, od nanoelektronicznych/spinowych urządzeń przeznaczonych do magazynowania wodoru, do produkcji baterii o wysokiej gęstości energii. Karbin był znany wcześniej, lecz dopiero niedawno naukowcy rozpoczęli dokładne symulacje teoretyczne.

Karbin, to łańcuch atomów węgla, które są połączone ze sobą przez kolejne wiązania podwójne (=C=C=) lub naprzemiennie pojedyncze i potrójne (–C|||C–). Do tej pory o karbinie wiadomo było niewiele. Astronomowie uważają, że alotropowa odmiana węgla pierwszy raz została wykryta w meteorytach i pyle międzygwiezdnym. Kilka lat temu karbinowy łańcuch 44 atomów węgla został zsyntetyzowany w laboratorium, ale naukowcy ciągle mają bardzo mało praktycznej wiedzy o tym jak się go tworzy i jakie są jego właściwości.

Aby temu zaradzić, Mingjie Liu wraz z zespołem Rice University obliczyli teoretyczne właściwości karbinu, które mogą pomóc podczas badań empirycznych. Badacze przedstawili analizę właściwości karbinu z uwzględnieniem badań wytrzymałości na rozciąganie, zginanie i odkształcenia skrętne. Naukowcy wyliczyli, że wytrzymałość właściwa (czyli wytrzymałość w stosunku do masy – ciśnienie podzielone przez gęstość materiału) karbinu jest na niespotykanym poziomie (6.0-7.5×10^7 N∙m/kg, w porównaniu do grafenu 4.7-5.5×10^7 N∙m/kg, nanorurek węglowych 4,3-5,0×10^7 N∙m/kg) oraz diamentu (2.5-6.5×10^7 N∙m/kg), jest prawie niemożliwe, aby go rozciągnąć (wierzchołki karbinu mają sztywność na poziomie około 10^9 N∙m/kg, dla porównania sztywność grafenu to 4,5×10^8 N∙m/kg). Zerwanie pojedynczego wiązania w łańcuchu atomowym wymaga użycia siły o wartości około 10 nN. Długość łańcucha w temperaturze pokojowej wynosi około 14nm.

Według obliczeń naukowców karbin jest dość stabilny chemicznie, a przy tym zaskakująco elastyczny.

Przez dodanie grupy funkcyjnej CH2 na końcu łańcucha karbin może zostać skręcony podobnie jak nici DNA. Przez „dekorowanie” łańcuchów karbinu różnymi cząsteczkami, można modyfikować inne właściwości. Dodanie pewnych atomów wapnia, które łączą się z atomami wodoru spowoduje powstanie gąbki o wysokiej gęstości do magazynowania wodoru.

Karbin - atomy węgla tworzą długie łańcuchy o występujących naprzemiennie pojedynczych i potrójnych wiązaniach lub skumulowanych wiązaniach podwójnych.

Karbin – atomy węgla tworzą długie łańcuchy o występujących naprzemiennie pojedynczych i potrójnych wiązaniach lub skumulowanych wiązaniach podwójnych.

Zbadano również trwałość chemiczną, czyli obronę przed samoistną agregacją. Naukowcy oszacowali barierę aktywacji na poziomie 0,6 eV dla reakcji sieciowania węgiel-węgiel.

Karbin nie może być rozciągnięty, ale można go wygiąć w łuk lub okrąg – dodatkowe obciążenie (10%) zmienia szerokość przerwy energetycznej od 3,2 do 4,4 eV. Ta właściwość może prowadzić do zastosowania karbinu przy projektowaniu MEMS (z ang. Micro Electro-Mechanical Systems) zintegrowanych układów elektro-mechanicznych, których co najmniej jeden wymiar szczególny znajduje się w skali mikro (0,1 – 100 μm).

Należy pamiętać, że podobnie jak grafen, karbin to materiał o grubości zaledwie jednego atomu. Jeden gram grafenu ma powierzchnię około pięciu kortów tenisowych. Może to mieć duże znaczenie w takich dziedzinach, jak magazynowanie energii (baterie, superkondensatory), w którym gęstość energii urządzenia jest wprost proporcjonalna do powierzchni elektrody. Wymienione wcześniej gąbki do magazynowania wodoru również bazują na ogromnej powierzchni właściwej karbinu.

Dzięki kilku poprzednich badaniom naukowcy wiedzą jak syntetyzować niewielkie ilości karbinu. Obliczenia i kalkulacje teoretyczne pobudzają apetyty nanotechnologów i dają nadzieję na projektowanie coraz bardziej egzotycznych nanomaszyn. Biorąc pod uwagę postępy poczynione w produkcji, już niedługo możemy doczekać się realnego wykorzystania niezwykłych właściwości mechanicznych karbinu.

Źródło:
[1] Carbyne from first principles: Chain of C atoms, a nanorod or a nanorope? Mingjie Liu, Vasilii I. Artyukhov, Hoonkyung Lee Fangbo Xu, and Boris I. Yakobson, Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Department of Chemistry, and Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, Rice University, Houston, Texas 77005, USA,
[2] http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1308/1308.2258.pdf | 16.08.2013
[3] a girl’s best friend by Geoffrey Fairchild (gfairchild), flickr.com, CC BY 2.0

5 komentarze
  1. Dorota J. Odpowiedz

    Tekst jest nieścisły i pełen sprzeczności. Gdzie są źródła naukowe i odnośniki do badań? Poza tym wspomniany grafen nie jest brany pod uwagę w kwestii sztywności ani twardości. Brak odniesienia do obecnie najtwardszych materiałów, np polimerowych. Jeżeli się pisze o syntezie chemicznej (?) powinno się podać konfiguracje lub chociaż stosunek liczby wiązań pojedynczych do wielokrotnych. Nie mówiąc już o jakichkolwiek szczegółach eksperymentu typu warunki czy źródło węgla chociaż.

    • Marcin Włudyka Odpowiedz

      O jakie nieścisłości dokładnie chodzi? Źródła naukowe i odnośnik do badań znajdują się na końcu tekstu. Przy obecnej technologii trudno zbadać i zmierzyć materiały o grubości 1 atomu, dlatego przeprowadza się symulacje i obliczenia komputerowe. Tekst opisuje wyniki komputerowych obliczeń (tak jak źródło), a nie przebieg reakcji syntezy karbinu wraz z warunkami.

    • Jom : Odpowiedz

      To zrób lepszy i zobaczymy

  2. Damian Odpowiedz

    Od kiedy wytrzymałość mechaniczna wyrażana jest w Nm/kg i w takich samych jednostkach sztywność skrętna? Powinno być: wytrz. mech. [N/m2] a sztywność skrętna [Nm/rad]Przez takie błędy trudno porównywać ten materiał z np. stalą

    • Marcin Włudyka Odpowiedz

      Rzeczywiście wytrzymałość mechaniczna jest niewłaściwym określeniem. W podanych wyżej jednostkach opisywana jest wytrzymałość właściwa. Zmiany zostały naniesione. Oryginalny artykuł podany jest w źródłach, więc szczegóły można porównać.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *