Nieuwe vorm van koolstof is sterker dan grafeen en diamant

Het zesde element, koolstof, heeft ons een verbazingwekkende overvloed aan buitengewone materialen gegeven. Ooit waren er gewoon koolstof, grafiet en diamant. Maar de afgelopen jaren hebben scheikundigen buckyballs, nanobuisjes en allerlei exotische vormen toegevoegd die zijn gemaakt van grafeen, het moleculaire equivalent van kippengaas.

Het is dus moeilijk te geloven dat carbon nog meer verrassingen in petto heeft. En toch berekenen Mingjie Liu en vrienden van de Rice University in Houston de eigenschappen van een andere vorm van koolstof die sterker, stijver en exotischer is dan alles wat scheikundigen ooit hebben gezien.

Het nieuwe materiaal heet carbyne. Het is een keten van koolstofatomen die zijn verbonden door afwisselende drievoudige en enkele bindingen of door opeenvolgende dubbele bindingen.

Carbyne is een mysterie. Astronomen denken dat ze de signatuur ervan in de interstellaire ruimte hebben ontdekt, maar scheikundigen kibbelen al tientallen jaren over de vraag of ze dit spul ooit op aarde hebben gemaakt. Een paar jaar geleden synthetiseerden ze echter carbineketens tot 44 atomen lang in oplossing.

De gedachte tot nu toe was dat carbyne extreem onstabiel moet zijn. Sommige scheikundigen hebben zelfs berekend dat twee strengen carbyne die in contact komen explosief zouden reageren.

Toch zijn nanotechnologen gefascineerd door de mogelijkheden van dit materiaal, omdat het zowel sterk als stijf moet zijn en daarom nuttig. Maar hoe sterk en hoe stijf precies, niemand was er helemaal zeker van.

Dit is waar Liu en co ingrijpen. Deze jongens hebben op basis van de eerste principes de bulkeigenschappen van carbyne berekend en de resultaten zorgen voor interessante lectuur.

Om te beginnen zeggen ze dat carbyne ongeveer twee keer zo stijf is als de stijfste bekende materialen van vandaag. Koolstofnanobuisjes en grafeen hebben bijvoorbeeld een stijfheid van 4,5 x 10^8 N.m/kg, maar carbyne overtreft ze met een stijfheid van ongeveer 10^9 N.m/kg.

Even indrukwekkend is de kracht van het nieuwe materiaal. Liu en co berekenen dat er ongeveer 10 nanoNewton nodig is om een ​​enkele streng carbyne te breken. Deze kracht vertaalt zich in een specifieke sterkte van 6,0-7,5×10^7 N∙m/kg, opnieuw aanzienlijk beter dan elk bekend materiaal, inclusief grafeen (4,7-5,5×10^7 N∙m/kg), koolstofnanobuisjes (4,3-5,0). ×10^7 N∙m/kg), en diamant (2,5–6,5×107 N∙m/kg4), zeggen ze.

Carbyne heeft ook andere interessante eigenschappen. De flexibiliteit ligt ergens tussen die van een typisch polymeer en dubbelstrengs DNA. En wanneer het wordt gedraaid, kan het ofwel vrij roteren of torsiestijf worden, afhankelijk van de chemische groep die aan het uiteinde is bevestigd.

Misschien wel het meest interessant is de berekening van de stabiliteit van carbyne door het Rice-team. Ze zijn het erover eens dat twee ketens die met elkaar in contact staan ​​kunnen reageren, maar er is een activeringsbarrière die voorkomt dat dit gemakkelijk gebeurt. Deze barrière suggereert de levensvatbaarheid van carbyne in gecondenseerde fase bij kamertemperatuur in de orde van dagen, concluderen ze.

Dit alles zou de honger moeten wekken van nanotechnologen die steeds exotischere nanomachines willen ontwerpen, zoals nano-elektronische en spintronische apparaten. Gezien de vooruitgang die is geboekt bij het vervaardigen van dit spul, hoeven we misschien niet lang te wachten voordat iemand de buitengewone mechanische eigenschappen van carbyne-ketens echt gaat exploiteren.

Referentie: arxiv.org/abs/1308.2258 : Carbyne From First Principles: Chain of C-atomen, een nanostaafje of een nanotouw?

zich verstoppen