211service.com
Vergeet grafeen- en koolstofnanobuisjes, maak je klaar voor Diamond Nanothread
Er gaat bijna geen week voorbij zonder dat iemand een nieuwe toepassing aankondigt voor grafeen, de vorm van koolstof die voorkomt in losse vellen met een kippengaasachtige structuur (zie Onderzoekstips voor het fotovoltaïsche potentieel van grafeen). Rol een grafeenvel in een buis en het vormt een koolstofnanobuis, een ander wondermateriaal met tal van toepassingen. En wikkel het verder in een bal en, met een kleine herschikking van bindingen, vormt het buckyballs.
Nu is er een nieuw kind op het koolstofblok. Vorige maand kondigde een team van de Pennsylvania State University en elders aan dat ze een ander type koolstof hadden gemaakt dat de vorm aanneemt van een eendimensionaal diamantkristal bedekt met waterstof. Ze noemen dit nieuwe materiaal diamant nanothread.
Dat veroorzaakte een golf van opwinding en riep enkele interessante vragen op. Materiaalwetenschappers zijn gefascineerd door de potentiële eigenschappen van een diamanten nanodraad en zijn toepassingen. Maar een van de angsten is dat zo'n draad zo broos zou zijn dat hij zou breken als glas onder elke vorm van belasting, een eigenschap die het gebruik ervan ernstig zou beperken.
Vandaag krijgen we een nieuw inzicht in diamanten nanothreads dankzij het werk van Haifei Zhan van de Queensland University of Technology in Australië en een paar vrienden. Deze jongens hebben de draden gemodelleerd met behulp van grootschalige moleculaire dynamische simulaties. En ze concluderen dat het materiaal veelzijdiger kan zijn dan iemand dacht. Er zijn voorzichtige tekenen dat diamanten nanodraad op zich een nieuw wondermateriaal zou kunnen zijn.
Het team van Penn State maakte de nanodraad van benzeenmoleculen, eenvoudige ringen van koolstofatomen. Het is niet moeilijk om te zien hoe een stapel hiervan kan hechten op een manier die een draad vormt.
En dat is precies wat het Penn State-team deed. Ze stapelden de moleculen op een lijn, plaatsten deze onder druk zodat de moleculen polymeriseerden en, voila, een diamanten nanodraad creëerden.
Dat klinkt in theorie eenvoudig, maar de complexiteit komt voort uit de manier waarop de koolstofatomen kunnen binden. Er zijn verschillende configuraties mogelijk, en de vraag die Zhan en co onderzoeken is hoe de eigenschappen van de draad afhankelijk zijn van deze arrangementen.
In het bijzonder kijken Zhan en co naar de twee meest voorkomende configuraties. De eerste is ongecompliceerd gepolymeriseerd benzeen - een stapel van deze ringen die aan elkaar zijn gehecht. Dit is een rigide molecuul dat steeds brozer wordt naarmate het langer wordt. Het construeren van iets complexs met lange stukken poly-benzeen zou hetzelfde zijn als proberen te naaien met als ongekookte spaghetti.
Maar er is een andere configuratie van koolstofatomen die bekend staat als Stone-Wales-defecten, en deze zijn veel kneedbaarder. Inderdaad, de Stone-Wales-defecten werken als scharnieren die delen van polybenzeen met elkaar verbinden.
Zhan en co simuleren hoe de eigenschappen van de nanothread variëren naarmate de dichtheid van deze defecten toeneemt. En ze concluderen dat wanneer de dichtheid een bepaalde drempel overschrijdt, de draad plotseling verandert van broos in volledig flexibel - net als het verschil tussen ongekookte en gekookte spaghetti.
Dat is een interessant resultaat. Het houdt in dat de eigenschap van de nanodraad eenvoudig kan worden afgesteld door de dichtheid van Stone-Wales-defecten over de lengte ervan te regelen. Sommige delen van de draad kunnen dus stijf worden gemaakt, terwijl andere volledig flexibel zijn.
Hoe zit het met mogelijke toepassingen? Zijn zeer afstembare ductiliteit samen met zijn ultralichte dichtheid en hoge Young's modulus maakt diamanten nanodraad ideaal voor het creëren van extreem sterke driedimensionale nano-architecturen, zeggen Zhan en co.
Natuurlijk is dit werk slechts een simulatie. Er zullen vrijwel zeker verschillen zijn tussen de voorspellingen en het gedrag van diamanten nanothreads in de echte wereld. Dus de volgende stap is dat materiaalwetenschappers enkele constructiekits met nanodraad maken en de eigenschappen van dit materiaal echt gaan meten.
Gezien de enorme belangstelling voor koolstofarchitectuur en de enorme sommen geld die in dit gebied worden gestort - alleen al de Europese Unie heeft een onderzoeksproject van € 1 miljard dat puur op grafeen is gericht - zal het zeker niet lang duren voordat we diamanten nanothreads in het echt zien en enkele van de buitengewone toepassingen die het mogelijk zou moeten maken.
Referentie: arxiv.org/abs/1511.01583 : Van broos tot kneedbaar: een structuurafhankelijke ductiliteit van diamantnanothread