(Phys.org)—Wetenschappers hebben een nieuwe familie van structuren voorgesteld die driedimensionale (3D) variaties van grafeen zijn, waarvan het eenvoudigste voorbeeld een 'hyperhoningraat' wordt genoemd. Als de voorgestelde structuren experimenteel kunnen worden gerealiseerd, de nieuwe manieren om koolstofatomen te rangschikken zouden bijdragen aan het steeds groeiende aantal nieuwe koolstofallotropen. De wetenschappers voorspellen ook dat, onder zijn interessante eigenschappen, de hyper-honingraat zou mogelijk nog stabieler kunnen zijn dan diamant.

De wetenschappers, Kieran Mullen, Bruno Uchoa, en Daniel T. Glatzhofer aan de Universiteit van Oklahoma, hebben een paper gepubliceerd over de voorgestelde hyper-honingraat en aanverwante structuren in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Grafeen wordt vaak beschreven als een honingraat- of kippengaasstructuur omdat het bestaat uit koolstofatomen die zijn gerangschikt in een enkellaags dik hexagonaal rooster. In deze 2D-structuur elk koolstofatoom is verbonden met drie andere koolstofatomen. De resulterende "vlakke trigonale connectiviteit" draagt ​​bij aan de unieke eigenschappen van grafeen, met name de elektrische eigenschappen die het tot een uitstekende halfgeleider maken.

Zoals de wetenschappers uitleggen, de trigonale connectiviteit van grafeen produceert iets ongewoons:het zorgt ervoor dat de energie van een elektron lineair varieert met het momentum, waardoor de elektronen het gedrag nabootsen van elektronen die dicht bij de lichtsnelheid bewegen. De momentwaarden waarbij dit gedrag optreedt, worden "Dirac-punten" genoemd naar de Dirac-vergelijking die relativistische elektronen beschrijft. De meeste materiële structuren, koolstof of anderszins, bevatten geen Dirac-punten. Dit lineaire gedrag beïnvloedt sterk hoe de elektronen zich gedragen, die hun verstrooiing en hun interacties met trillingen in het rooster beïnvloeden.

Hier, de wetenschappers onderzochten wat er gebeurt als de Dirac-punten in een op koolstof gebaseerde vlakke trigonale structuur worden uitgebreid tot een driedimensionale ruimte om Dirac-lussen te vormen. Dirac-lussen worden niet zo goed begrepen als Dirac-punten omdat, in tegenstelling tot Dirac-punten die overeenkomsten vertonen met relativistische elektronen, Dirac-loops hebben geen relativistische analoog. Daten, Dirac-loops zijn nooit experimenteel waargenomen, en waarvan is voorspeld dat ze alleen in een paar fijn afgestemde materialen bestaan.

De analyse van de wetenschappers onthulde dat Dirac-lussen zich theoretisch kunnen vormen wanneer ketens van trigonaal verbonden koolstofatomen loodrecht op elkaar worden gestapeld. Deze opstelling verschilt van grafiet, wat ook een 3D-vorm van grafeen is, maar in grafiet zijn de lagen grafeen als een stapel papier op elkaar gestapeld.

De voorgestelde loodrecht gestapelde kettingen kunnen veel verschillende afmetingen hebben vanwege de verschillende mogelijke combinaties van verticale en horizontale honingraatzeshoeken in de eenheidscel van elke ketting. Bijvoorbeeld, het eenvoudigste voorbeeld, de hyper-honingraat, bestaat uit slechts twee koolstofatomen in elke verticale en horizontale keten. Met zijn verticale en horizontale lagen, het hyper-honingraatrooster lijkt enigszins op planken in een kleine tweezijdige boekenkast.

"De betekenis van ons werk is tweeledig, "Mullen vertelde" Phys.org . "Eerst, dit is het eerste eenvoudige systeem dat Dirac-loops weergeeft. Dirac-loops zijn een gedrag dat nog niet wordt gezien in elektronische systemen. Het bestaan ​​van zo'n lus zou sterke effecten hebben op hoe elektronen door het systeem stromen en hoe ze zich gedragen in aanwezigheid van een magnetisch veld.

"Tweede, het systeem leidt tot een groot aantal gerelateerde systemen die allemaal vergelijkbare, vreemd gedrag. Sommige zijn andere koolstofstructuren, andere zijn verschillende fysieke systemen (bijvoorbeeld een optisch rooster van koude gasatomen) die op een vergelijkbare manier zijn verbonden. We kunnen nog meer ongewoon gedrag ontdekken als we de 'dierentuin' van systemen verkennen."

Zoals de wetenschappers hebben uitgelegd, de 3D-structuur kan de hyper-honingraatallotropen ook extreem stabiel maken, zelfs meer dan diamant of grafiet.

"Stabiliteit kan lastig zijn, "Mullen zei, verwijzend naar hoe stabiliteit wordt gedefinieerd. "Diamant is sterker dan grafiet, maar 'minder stabiel' in die zin dat het niet de vorm van koolstof is met de laagste energie. Het is 'meta-stabiel' in die zin dat je ongelooflijk lang zou moeten wachten voordat het spontaan zou veranderen!

"We weten dat de H0 [hyper-honingraat]-structuur metastabiel is - elke kleine vervorming van de structuur verhoogt de energie. We weten dat het moeilijk zou zijn voor het systeem om een ​​manier te vinden om zichzelf te herschikken naar een ander rooster. proberen de 'hardheid' en 'sterkte' te berekenen. Grafeen is sterk (het is moeilijk te scheuren) door niet hard (het kan worden uitgerekt). We zullen deze zomer meer weten over de materiaaleigenschappen."

De wetenschappers verwachten dat het synthetiseren van deze nieuwe familie van koolstofallotropen een uitdaging zal zijn, maar mogelijk zal zijn met de huidige technologie. Synthese vereist mogelijk doping van koolstofketens door andere atomen te vervangen, zoals thallium, voor sommige van de koolstofatomen om het groeien van de voorgestelde structuren te vergemakkelijken. Verder, zelfs als deze structuren niet in koolstof kunnen worden gerealiseerd, ze kunnen worden gemaakt in optische roosters van koude gasatomen, of misschien in andere nanostructuren die vergelijkbare lussen produceren.

"Eerst, we zullen de 'dierentuin' van deze roosters verder verkennen, "Zei Mullen. "Dit omvat het berekenen van hun thermische geleidbaarheid, stijfheid, treksterkte, en magnetogeleiding. Tweede, we zullen verder gaan dan dit eenvoudige enkelvoudige elektronbeeld van deze systemen. Derde, we zullen samenwerken met medewerkers die deze materialen willen synthetiseren."

© 2015 Fys.org