Carbin - jednorozmerný uhlík

Ako informoval časopis Nature Materials v októbri 2016, vedcom z Fyzikálnej fakulty Viedenskej univerzity sa podarilo nájsť spôsob, ako vyrobiť stabilnú karabínu, t.j. Jednorozmerný uhlík, ktorý sa považuje za ešte výkonnejší ako grafén (dvojrozmerný uhlík).

Grafén, ktorý je stále považovaný za veľkú nádej a predzvesť materiálnej revolúcie, ešte predtým, ako sa stal realitou v technológii, už môže byť zosadený z trónu jeho príbuzným na báze uhlíka – Carbin. Výpočty ukázali, že pevnosť v ťahu karbínu je dvakrát vyššia ako pevnosť grafénu, zatiaľ čo jeho pevnosť v ťahu zostáva trikrát vyššia ako pevnosť diamantu. Carbyne je (teoreticky) stabilný pri izbovej teplote a keď sú jeho vlákna uložené spolu, pretínajú sa predvídateľným spôsobom.

Ide o alotropickú formu uhlíka s polyalkínovou (C≡C)n štruktúrou, v ktorej atómy tvoria dlhé reťazce so striedajúcimi sa jednoduchými a trojitými väzbami alebo nahromadenými dvojitými väzbami. Takýto systém sa nazýva jednorozmerná (1D) štruktúra, pretože nič iné nie je pripojené k vláknu s hrúbkou jedného atómu. Štruktúra grafénu zostáva dvojrozmerná, pretože je dlhá a široká, ale plát má hrúbku iba jedného atómu. Doterajšie výskumy naznačujú, že najsilnejšou formou karabíny by boli dve navzájom prepletené vlákna (1).

Donedávna sa o karabíne vedelo len málo. Astronómovia tvrdia, že ho prvýkrát objavili v meteoritoch a medzihviezdnom prachu.

Mingji Liu a tím z Rice University vypočítali teoretické vlastnosti karabíny, ktoré môžu pomôcť pri empirickom výskume. Výskumníci predložili analýzu zohľadňujúcu testy pevnosti v ťahu, pevnosti v ohybe a torznej deformácie. Vypočítali, že špecifická sila karabíny (t.j. pomer pevnosti k hmotnosti) je na bezprecedentnej úrovni (6,0-7,5×107 N∙m/kg) v porovnaní s grafénom (4,7-5,5×107 N∙m/kg), uhlíkové nanorúrky (4,3-5,0×107 N∙m/kg) a diamant (2,5-6,5×107 N∙m/kg). Prerušenie jednoduchej väzby v reťazci atómov vyžaduje silu asi 10 nN. Dĺžka reťazca pri izbovej teplote je asi 14 nm.

Pridaním funkčná skupina CH2 koniec reťazca karabíny môže byť skrútený ako reťazec DNA. „Ozdobením“ reťazí karabín rôznymi molekulami sa dajú zmeniť ďalšie vlastnosti. Pridaním určitých atómov vápnika, ktoré sa viažu s atómami vodíka, vznikne špongia na skladovanie vodíka s vysokou hustotou.

Zaujímavou vlastnosťou nového materiálu je schopnosť vytvárať väzby s postrannými reťazcami. Proces vytvárania a lámania týchto väzieb možno využiť na ukladanie a uvoľňovanie energie. Karabína teda môže slúžiť ako veľmi účinný materiál na uchovávanie energie, pretože jej molekuly majú priemer jeden atóm a pevnosť materiálu znamená, že bude možné opakovane vytvárať a lámať väzby bez rizika pretrhnutia. samotná molekula sa rozpadne.

Všetko nasvedčuje tomu, že natiahnutím alebo krútením karabíny sa menia jej elektrické vlastnosti. Teoretici dokonca navrhli umiestniť na konce molekuly špeciálne „rukoväte“, ktoré by vám umožnili rýchlo a jednoducho zmeniť vodivosť alebo zakázané pásmo karbínu.

2. Reťaz karabín vo vnútri grafénovej štruktúry

Bohužiaľ, všetky známe a zatiaľ neobjavené vlastnosti karabíny zostanú len krásnou teóriou, ak nedokážeme materiál vyrobiť lacno a vo veľkom množstve. Niektoré výskumné laboratóriá uviedli, že pripravovali karabínu, ale materiál sa ukázal ako veľmi nestabilný. Niektorí chemici sa tiež domnievajú, že ak spojíme dva pramene karabínky, bude explózia. V apríli tohto roku sa objavili správy o vývoji stabilnej karabíny v podobe závitov vo vnútri „steny“ grafénovej štruktúry (2).

Snáď na začiatku spomínaná metodika Viedenskej univerzity je prelomová. Čoskoro by sme to mali zistiť.