Al meer dan tien jaar hebben wetenschappers met beperkt succes geprobeerd een nieuwe vorm van koolstof te synthetiseren, grafiene genaamd. Dat streven is nu echter ten einde, dankzij nieuw onderzoek van de University of Colorado Boulder.

Graphyne is al lang interessant voor wetenschappers vanwege de overeenkomsten met het 'wondermateriaal' grafeen - een andere vorm van koolstof die zeer wordt gewaardeerd door de industrie wiens onderzoek in 2010 zelfs de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg. Ondanks tientallen jaren van werk en theoretiserend, zijn er maar een paar fragmenten ooit gemaakt.

Dit onderzoek, vorige week aangekondigd in Nature Synthesis , vult een al lang bestaande leemte in koolstofmateriaalwetenschap en opent mogelijk gloednieuwe mogelijkheden voor onderzoek naar elektronica, optica en halfgeleidend materiaal.

"Het hele publiek, het hele veld, is erg enthousiast dat dit al lang bestaande probleem, of dit denkbeeldige materiaal, eindelijk wordt gerealiseerd", zegt Yiming Hu, hoofdauteur van het papier en 2022 doctoraal in de chemie.

Wetenschappers zijn al lang geïnteresseerd in de constructie van nieuwe of nieuwe koolstofallotropen, of vormen van koolstof, vanwege het nut van koolstof voor de industrie en de veelzijdigheid ervan.

Er zijn verschillende manieren waarop koolstofallotropen kunnen worden geconstrueerd, afhankelijk van hoe sp2, sp3 en sp gehybridiseerde koolstof (of de verschillende manieren waarop koolstofatomen aan andere elementen kunnen binden) en hun overeenkomstige bindingen worden gebruikt. De meest bekende koolstofallotropen zijn grafiet (gebruikt in gereedschappen zoals potloden en batterijen) en diamanten, die zijn gemaakt van respectievelijk sp2-koolstof en sp3-koolstof.

Met behulp van traditionele chemische methoden hebben wetenschappers in de loop der jaren met succes verschillende allotropen gecreëerd, waaronder fullereen (waarvan de ontdekking in 1996 de Nobelprijs voor scheikunde won) en grafeen.

Deze methoden laten echter niet toe dat de verschillende soorten koolstof samen worden gesynthetiseerd in enige vorm van grote capaciteit, zoals wat nodig is voor grafiet, waardoor het getheoretiseerde materiaal - waarvan wordt aangenomen dat het unieke elektronengeleidende, mechanische en optische eigenschappen heeft - om dat te blijven:een theorie.

Maar het was ook die behoefte aan het niet-traditionele die de veldwerkers ertoe bracht om contact op te nemen met de laboratoriumgroep van Wei Zhang.

Zhang, hoogleraar scheikunde aan CU Boulder, bestudeert omkeerbare scheikunde, een scheikunde die ervoor zorgt dat bindingen zichzelf corrigeren, waardoor nieuwe geordende structuren of roosters kunnen worden gecreëerd, zoals synthetische DNA-achtige polymeren.

Nadat ze waren benaderd, besloten Zhang en zijn labgroep het eens te proberen.

Het maken van grafie is een "heel oude, al lang bestaande vraag, maar aangezien de synthetische hulpmiddelen beperkt waren, daalde de interesse", Hu, die een Ph.D. student in de laboratoriumgroep van Zhang, becommentarieerd. "We brachten het probleem opnieuw naar voren en gebruikten een nieuwe tool om een ​​oud probleem op te lossen dat echt belangrijk is."

Met behulp van een proces dat alkynmetathese wordt genoemd - wat een organische reactie is die de herverdeling, of het snijden en hervormen, van alkyn-chemische bindingen (een soort koolwaterstof met ten minste één drievoudige koolstof-koolstof-covalente binding) met zich meebrengt - evenals thermodynamica en kinetische controle , was de groep in staat om met succes te creëren wat nog nooit eerder was gemaakt:een materiaal dat de geleidbaarheid van grafeen kon evenaren, maar met controle.

"Er is een behoorlijk groot verschil (tussen grafeen en grafeen), maar op een goede manier", zei Zhang. "Dit zou het wondermateriaal van de volgende generatie kunnen zijn. Daarom zijn mensen erg enthousiast."

Hoewel het materiaal met succes is gemaakt, wil het team nog steeds de specifieke details ervan onderzoeken, inclusief hoe het materiaal op grote schaal kan worden gemaakt en hoe het kan worden gemanipuleerd.

"We proberen dit nieuwe materiaal echt vanuit meerdere dimensies te verkennen, zowel experimenteel als theoretisch, van atomair niveau tot echte apparaten", zei Zhang over de volgende stappen.

Deze inspanningen zouden op hun beurt moeten helpen bij het uitzoeken hoe de elektronengeleidende en optische eigenschappen van het materiaal kunnen worden gebruikt voor industriële toepassingen zoals lithium-ionbatterijen.

"We hopen dat we in de toekomst de kosten kunnen verlagen en de reactieprocedure kunnen vereenvoudigen, en hopelijk kunnen mensen dan echt profiteren van ons onderzoek", zei Hu.

Voor Zhang was dit nooit gelukt zonder de steun van een interdisciplinair team, en voegde eraan toe:"Zonder de steun van de afdeling natuurkunde, zonder enige steun van collega's, zou dit werk waarschijnlijk niet kunnen worden gedaan." + Verder verkennen

Synthese van tweedimensionale gatengrafiek