(Phys.org) —Voor de eerste keer, wetenschappers hebben ontdekt hoe ze ultradunne "diamanten nanothreads" kunnen produceren die buitengewone eigenschappen beloven, inclusief sterkte en stijfheid die groter is dan die van de sterkste nanobuizen en polymeren van vandaag. Een paper dat deze ontdekking beschrijft door een onderzoeksteam onder leiding van John V. Badding, een professor in de chemie aan Penn State, werd gepubliceerd in het nummer van 21 september van het tijdschrift Natuurmaterialen .

"Vanuit een fundamenteel-wetenschappelijk oogpunt, onze ontdekking is intrigerend omdat de draden die we hebben gevormd een structuur hebben die nog nooit eerder is gezien, " zei Badding. De kern van de nanothreads die het team van Badding heeft gemaakt, is een lange, dunne streng koolstofatomen gerangschikt net als de fundamentele eenheid van de structuur van een diamant - zigzag "cyclohexaan" ringen van zes aan elkaar gebonden koolstofatomen, waarin elke koolstof is omgeven door andere in de sterke driehoekige piramidevorm van een tetraëder. "Het is alsof een ongelooflijke juwelier de kleinst mogelijke diamanten aan elkaar heeft geregen tot een lange miniatuurketting, "Zei Badding. "Omdat deze draad een diamant in hart en nieren is, we verwachten dat het buitengewoon stijf zal blijken te zijn, buitengewoon sterk, en buitengewoon nuttig."

De ontdekking van het team komt na bijna een eeuw mislukte pogingen van andere laboratoria om afzonderlijke koolstofbevattende moleculen zoals vloeibare benzeen samen te persen tot een geordende, diamantachtig nanomateriaal. "We gebruikten het grote hogedruk-Parijs-Edinburgh-apparaat in het Oak Ridge National Laboratory om een ​​6 millimeter brede hoeveelheid benzeen te comprimeren - een gigantische hoeveelheid vergeleken met eerdere experimenten, " zei Malcolm Guthrie van de Carnegie Institution for Science, een co-auteur van het onderzoeksartikel. "We ontdekten dat het langzaam loslaten van de druk na voldoende compressie bij normale kamertemperatuur de koolstofatomen de tijd gaf die ze nodig hadden om met elkaar te reageren en zich te verbinden in een zeer geordende keten van koolstoftetraëders met één bestand, het vormen van deze diamantkern nanothreads."

Het team van Badding is de eerste die moleculen met koolstofatomen overhaalt om de sterke tetraëdervorm te vormen, verbind vervolgens elke tetraëder van begin tot eind om een ​​lange, dunne nanodraad. Hij beschrijft de breedte van de draad als fenomenaal klein, slechts een paar atomen breed, honderdduizenden keren kleiner dan een optische vezel, enorm dunner dan een gemiddeld mensenhaar. "Theorie van onze co-auteur Vin Crespi suggereert dat dit potentieel de sterkste, stijfste materiaal mogelijk, terwijl ze ook licht van gewicht zijn, " hij zei.

Het molecuul dat ze hebben samengeperst is benzeen - een platte ring met zes koolstofatomen en zes waterstofatomen. De resulterende nanodraad met diamantkern is omgeven door een halo van waterstofatomen. Tijdens het compressieproces, de wetenschappers melden, de platte benzeenmoleculen stapelen zich op, buigen en breken. Vervolgens, terwijl de onderzoekers langzaam de druk loslaten, de atomen verbinden zich weer op een geheel andere, maar zeer geordende manier. Het resultaat is een structuur met koolstof in de tetraëdrische configuratie van diamant met waterstofatomen die aan de zijkant hangen en elke tetraëder is verbonden met een andere om een ​​lange, dun, nanodraad.

"Het is echt verrassend dat dit soort organisatie gebeurt, "Zei Badding. "Dat de atomen van de benzeenmoleculen zich bij kamertemperatuur aan elkaar verbinden om een ​​draad te maken, is schokkend voor scheikundigen en natuurkundigen. Gezien eerdere experimenten, We denken dat, wanneer het benzeenmolecuul onder zeer hoge druk breekt, de atomen willen zich aan iets anders vastgrijpen, maar ze kunnen niet bewegen omdat de druk alle ruimte tussen hen wegneemt. Dit benzeen wordt dan zeer reactief zodat, als we de druk heel langzaam loslaten, er vindt een ordelijke polymerisatiereactie plaats die de nanodraad met diamantkern vormt."

De wetenschappers bevestigden de structuur van hun diamanten nanothreads met een aantal technieken in Penn State, Eiken Ridge, Arizona State University en het Carnegie Institute for Science, inclusief röntgendiffractie, neutronendiffractie, Raman-spectroscopie, eerste-principe berekeningen, transmissie-elektronenmicroscopie en vastestofkernmagnetische resonantie (NMR). Delen van deze eerste diamanten nanothreads lijken iets minder dan perfect, dus het verbeteren van hun structuur is een blijvend doel van het onderzoeksprogramma van Badding. Ook wil hij ontdekken hoe hij er meer van kan maken. "De hoge druk die we gebruikten om het eerste diamanten nanodraadmateriaal te maken, beperkt onze productiecapaciteit tot slechts een paar kubieke millimeter per keer, dus we maken er nog niet genoeg van om op industriële schaal bruikbaar te zijn, "Zei Badding. "Een van onze wetenschappelijke doelen is om die beperking op te heffen door de chemie uit te zoeken die nodig is om deze diamanten nanothreads onder meer praktische omstandigheden te maken."

De nanodraad is mogelijk ook het eerste lid van een nieuwe klasse van diamantachtige nanomaterialen op basis van een sterke tetraëdrische kern. "Onze ontdekking dat we de natuurlijke uitlijning van de benzeenmoleculen kunnen gebruiken om de vorming van dit nieuwe diamanten nanodraadmateriaal te begeleiden, is echt interessant omdat het de mogelijkheid opent om vele andere soorten moleculen te maken op basis van koolstof en waterstof, "Zei Badding. "Je kunt allerlei andere atomen hechten rond een kern van koolstof en waterstof. De droom is om andere atomen toe te voegen die in de resulterende nanothread zouden worden opgenomen. Door elke vloeistof die we ontwerpen onder druk te zetten, we kunnen misschien een enorm aantal verschillende materialen maken."

Potentiële toepassingen die Badding het meest interesseren, zijn toepassingen die enorm verbeterd zouden worden door buitengewoon sterke, stijve en lichte materialen, vooral die die kunnen helpen om de atmosfeer te beschermen, inclusief aansteker, zuinigere en dus minder vervuilende voertuigen. "Een van onze stoutste dromen voor de nanomaterialen die we ontwikkelen, is dat ze kunnen worden gebruikt om de supersterke, lichtgewicht kabels die de constructie van een "ruimtelift" mogelijk zouden maken, dat tot nu toe alleen als sciencefiction-idee heeft bestaan, ' zei Badding.