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.
Obliczenia dotyczące charakterystyki karbinu
Zespół naukowców z Rice University obliczył 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.
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.
Karbin: stabilna forma utworzona w 2016
Naukowcy w Wiedniu z powodzeniem stworzyli stabilną formę karbinu. Można go uznać za jednowymiarowy alotrop węgla. Carbyne ma strukturę chemiczną z naprzemiennie występującymi wiązaniami pojedynczymi i potrójnymi: (-C≡C-)n. Ta struktura węgla daje imponujący moduł Younga (siła potrzebna do odkształcenia materiału) o wartości 32,7 TPa, który jest czterdziestokrotnie większy od modułu diamentowego i trzydziestokrotnie większy od modułu nanorurek węglowych.
Na początku 2016 roku pobito rekord, wytwarzając stabilny łańcuch karbinowy o liczbie 6400 atomów węgla.
Masowe wytwarzanie stabilnej formy karbinu nie było łatwym zadaniem. Zespół naukowców musiał użyć dwie warstwy grafenu, sprasować je razem i zwinąć w cienkie dwuścienne nanorurki węglowe. Nanorurki zostały następnie użyte do ochrony łańcuchów karbinu, gdy były formowane, aby zapobiec ich zniszczeniu z powodu niezwykle niestabilnego stanu. Od czasu powstania 6400 łańcuchów węglowych, materiał nie uległ przerwaniu, gdyż jest chroniony przez nanorurki. Badania austriackich naukowców są publikowane w czasopiśmie: Nature Materials, pod tytułem “Confined linear carbon chains as a route to bulk carbyne”.
Karbin właściwości
Chociaż w chwili obecnej carbyne ogranicza się do kształtu nanorurek, ma on potencjał. Karbin posiada wiele właściwości sprawiające, że naukowcy zajmujący się nowoczesnymi materiałami czują podekscytowanie. Właściwości elektryczne karbinu zwiększają się wraz z długością łańcucha, co może uczynić go bardzo użytecznym w elektronice w nanoskali.
Dalsze badania nad karbinem wykazały, że jest on stabilny pod napięciem (w przeciwnym razie już by się rozpadł), a jego szczelina pasmowa (różnica energii pomiędzy górną częścią pasma walencyjnego a dolną częścią pasma przewodzenia atomów) jest bardzo wrażliwa na skręcanie.
Karbin zastosowanie
Rurki karbinowe mogą być przydatne jako czujnik pola skrętnego lub magnetycznego (jeśli zostanie dołączony do czegoś, co spowoduje jego skręcanie). Karbin jest ciągle badany, więc pewnie znajdą się dla niego dodatkowe zastosowania. Niektóre mogą okazać się przełomowe dla rozwoju nowoczesnych technologii.
Badacze spekulują, że niezwykłe właściwości mechaniczne i elektroniczne karbinu mogą mieć duży potencjał do zastosowań w nanomechanice, urządzeniach nanoelektronicznych/spintronicznych i MEMS. Właściwości karbinu powinny pomóc w budowie matryc magazynujących energię, takich jak akumulatory i superkondensatory, gdzie powierzchnia elektrody określa gęstość energii.
Ozdobienie łańcucha karbowego atomami wapnia, które zasysają cząsteczki wodoru, tworzy odwracalne urządzenie magazynujące wodór o dużej gęstości. Obecnie zsyntetyzowano jedynie niewielką ilość karbiny, więc zanim substancja ta będzie mogła być w pełni zbadana, procesy będą musiały zostać usprawnione.
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 | 16.05.2020
[3] a girl’s best friend by Geoffrey Fairchild (gfairchild), flickr.com, CC BY 2.0