(Phys.org) —Carbyne zal de sterkste van een nieuwe klasse van microscopische materialen zijn als en wanneer iemand het in bulk kan maken.

Als ze dat doen, ze zullen merken dat carbyne nanostaafjes of nanotouwen een groot aantal opmerkelijke en nuttige eigenschappen hebben, zoals beschreven in een nieuw artikel van Boris Yakobson, theoretisch fysicus van Rice University en zijn groep. Het artikel verschijnt deze week in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

Carbyne is een keten van koolstofatomen die bij elkaar worden gehouden door dubbele of afwisselende enkele en drievoudige atoombindingen. Dat maakt het een echt eendimensionaal materiaal, in tegenstelling tot atoomdunne vellen grafeen met een boven- en onderkant of holle nanobuisjes met een binnen- en buitenkant.

Volgens het portret getekend op basis van berekeningen door Yakobson en zijn groep:

• De treksterkte van Carbyne - het vermogen om uitrekken te weerstaan ​​- overtreft "die van elk ander bekend materiaal" en is het dubbele van die van grafeen. (Wetenschappers hadden al berekend dat er een olifant op een potlood nodig zou zijn om door een vel grafeen te breken.)
• Het heeft twee keer de trekstijfheid van grafeen en koolstof nanobuisjes en bijna drie keer die van diamant.
• Het uitrekken van carbyne met slechts 10 procent verandert de elektronische bandafstand aanzienlijk.
• Indien uitgerust met moleculaire handvatten aan de uiteinden, het kan ook worden gedraaid om de bandafstand te wijzigen. Met een end-to-end rotatie van 90 graden, het wordt een magnetische halfgeleider.
• Carbyne-ketens kunnen zijmoleculen opnemen die de ketens geschikt kunnen maken voor energieopslag.
• Het materiaal is stabiel bij kamertemperatuur, grotendeels bestand tegen crosslinks met nabijgelegen ketens.

Dat is een opmerkelijke reeks eigenschappen voor een simpele reeks koolstofatomen, zei Yakobson.

"Je zou het kunnen zien als een uiterst dun grafeenlint, teruggebracht tot slechts één atoom, of een uiterst dunne nanobuis, " zei hij. Het kan nuttig zijn voor nanomechanische systemen, in spintronische apparaten, als sensoren, als sterke en lichte materialen voor mechanische toepassingen of voor energieopslag.

"Ongeacht de aanvragen, " hij zei, "academisch, het is heel opwindend om de sterkst mogelijke verzameling atomen te kennen."

Op basis van de berekeningen, hij zei dat carbyne misschien wel de hoogste energietoestand is voor stabiele koolstof. "Mensen zoeken meestal naar wat de 'grondtoestand' wordt genoemd, ' de laagst mogelijke energieconfiguratie voor atomen, " zei Yakobson. "Voor koolstof, dat zou grafiet zijn, gevolgd door diamant, dan nanobuisjes, dan fullerenen. Maar niemand vraagt ​​naar de configuratie met de hoogste energie. We denken dat dit het kan zijn, een stabiele structuur met de hoogst mogelijke energie."

Theorieën over carbyne verschenen voor het eerst in de 19e eeuw, en een benadering van het materiaal werd voor het eerst gesynthetiseerd in de USSR in 1960. Carbyne is sindsdien gezien in gecomprimeerd grafiet, is gedetecteerd in interstellair stof en is in kleine hoeveelheden gemaakt door experimentatoren.

"Ik ben altijd geïnteresseerd geweest in de stabiliteit van uiteindelijk dunne draden van wat dan ook en hoe dun een staafje zou kunnen maken van een bepaalde chemische stof, " zei Yakobson. "We hadden 10 jaar geleden een paper over silicium waarin we onderzochten wat er met silicium nanodraad gebeurt als het dunner wordt. Naar mij, dit was slechts een deel van dezelfde vraag."

De Rice-onderzoekers, onder leiding van Rice afgestudeerde student Mingjie Liu en postdoctoraal onderzoeker Vasilii Artyukhov, waren op de hoogte van een aantal artikelen die een of andere eigenschap van carbyne beschreven. Ze begonnen carbyne te detailleren met computermodellen met behulp van eerste-principeregels om de energetische interacties van atomen te bepalen, zei Artjoechov.

"Het was onze bedoeling om alles samen te brengen, om een ​​volledig mechanisch beeld van carbine als materiaal te construeren, " zei Artyukhov. "Het feit dat het is waargenomen vertelt ons dat het stabiel is onder spanning, minstens, want anders zou het gewoon uit elkaar vallen."

Yakobson zei dat de onderzoekers verrast waren toen ze ontdekten dat de band gap in carbyne zo gevoelig was voor draaien. "Het zal nuttig zijn als sensor voor torsie- of magnetische velden, als je een manier kunt vinden om het aan iets te bevestigen waardoor het gaat draaien, "zei hij. "We hebben hier niet naar gezocht, specifiek; het kwam naar voren als een bijproduct."

"Dat is het mooie van dingen zorgvuldig bestuderen, ' zei Artjoechov.

Een andere bevinding van groot belang was de energiebarrière die ervoor zorgt dat atomen op aangrenzende carbyne-ketens niet in elkaar vallen. "Als je het hebt over theoretisch materiaal, je moet altijd voorzichtig zijn om te zien of het met zichzelf zal reageren, "Zei Artyukhov. "Dit is nooit echt onderzocht voor carbyne."

De literatuur leek erop te wijzen dat carbyne "niet stabiel was en grafiet of roet zou vormen, " hij zei.

In plaats daarvan, de onderzoekers ontdekten dat koolstofatomen op afzonderlijke strengen de barrière op één plek zouden kunnen overwinnen, maar de stijfheid van de staven zou voorkomen dat ze op een tweede locatie samenkomen, tenminste bij kamertemperatuur. "Ze zouden eruitzien als vlindervleugels, ' zei Artjoechov.

"Bundels kunnen aan elkaar blijven plakken, maar ze zouden niet helemaal instorten, " voegde Yakobson eraan toe. "Dat zou kunnen zorgen voor een zeer poreuze, willekeurig net dat goed kan zijn voor adsorptie." Artyukhov zei dat het nominale specifieke oppervlak van carbyne ongeveer vijf keer zo groot is als dat van grafeen.

Toen de krant van het team deze zomer beschikbaar kwam op arXiv, de wetenschappelijke pers en zelfs een deel van de populaire pers waren zo enthousiast over de berekeningen dat ze het papier en de implicaties ervan oppikten voordat het team het voor peer review indiende. Nu de volledige krant klaar is voor openbare consumptie, de onderzoekers zeiden dat ze hun onderzoek in nieuwe richtingen zullen voeren.

Ze kijken strenger naar de geleidbaarheid van carbyne en denken ook aan andere elementen. "We hebben het gehad over het doorlopen van verschillende elementen in het periodiek systeem om te zien of sommige ervan eendimensionale ketens kunnen vormen, ' zei Yakobson.