Elementaire koolstof komt in vele vormen voor, inclusief diamant, fullerenen en grafeen, die unieke structurele, elektronisch, mechanisch, transport- en optische eigenschappen die een breed scala aan toepassingen bieden in de natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde. Deze omvatten composietmaterialen, lichtgevende apparaten op nanoschaal en materialen voor het oogsten van energie.

Binnen de "koolstoffamilie, " alleen carbine, een echt eendimensionale vorm van koolstof, is nog niet gesynthetiseerd ondanks dat het al meer dan 50 jaar wordt bestudeerd. Zijn extreme instabiliteit in omgevingscondities maakte het uiteindelijke experimentele bewijs van zijn bestaan ​​moeilijk te bereiken. Een internationale samenwerking van onderzoekers heeft een nieuwe route ontwikkeld voor de bulkproductie van koolstofketens bestaande uit meer dan 6, 400 koolstofatomen door dunne, dubbelwandige koolstofnanobuisjes als beschermende gastheren voor de ketens.

Deze bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen en vertegenwoordigen een elegante voorloper in de richting van het uiteindelijke doel van de bulkproductie van carbyne. Naast de mogelijke toepassingen, deze bevindingen openen de mogelijkheid om fundamentele vragen over elektronencorrelaties te beantwoorden, elektron-fonon-interacties en kwantumfaseovergangen in eendimensionale materialen.

Zelfs in zijn elementaire vorm, de hoge bindingsveelzijdigheid van koolstof levert veel bekende materialen op, waaronder diamant en grafiet. Een enkele laag grafiet, grafeen genoemd, kan worden gerold of gevouwen tot koolstofnanobuisjes of fullerenen, respectievelijk. Daten, Nobelprijzen zijn toegekend voor fundamenteel werk aan zowel grafeen (2010) als fullerenen (1996). Hoewel het bestaan ​​van lineaire acetylenische koolstof, een oneindig lange koolstofketen, ook wel carbine genoemd, werd in 1885 voorgesteld door Adolf von Baeyer, die in 1905 een Nobelprijs ontving voor zijn algemene bijdragen aan de organische chemie, wetenschappers hebben dit materiaal nog niet kunnen synthetiseren. Von Baeyer suggereerde zelfs dat carbyne ongrijpbaar zou blijven, omdat zijn hoge reactiviteit altijd zou leiden tot zijn onmiddellijke vernietiging. Hoe dan ook, koolstofketens van toenemende lengte zijn de afgelopen 50 jaar met succes gesynthetiseerd.

Tot dusver, de recordhouder is een ketting van ongeveer 100 koolstofatomen (2003). Dit record is nu met een factor meer dan 50 verbroken met de eerste demonstratie van micrometer-schaalketens, gemeld in Natuurmaterialen vandaag. Onderzoekers van de Universiteit van Wenen onder leiding van Thomas Pichler hebben een nieuwe en eenvoudige benadering ontwikkeld om koolstofketens te stabiliseren met een recordlengte van meer dan 6, 400 koolstofatomen.

Ze gebruiken de beperkte ruimte in een dubbelwandige koolstofnanobuis als nanoreactor om op grote schaal ultralange koolstofketens te laten groeien. Het bestaan ​​van de ketens is ondubbelzinnig bevestigd door het gebruik van een groot aantal geavanceerde, complementaire methoden. Deze omvatten het gebruik van temperatuurafhankelijke, near- en far-field Raman-spectroscopie met verschillende lasers (voor het onderzoek van elektronische en trillingseigenschappen), hoge resolutie transmissie-elektronenspectroscopie (voor de directe waarneming van carbyne in de koolstofnanobuisjes) en röntgenverstrooiing (voor de bevestiging van bulkketengroei). "Het directe experimentele bewijs van opgesloten ultralange lineaire koolstofketens, die twee ordes van grootte langer zijn dan de langste bewezen ketens tot nu toe, zijn een veelbelovende stap in de richting van het uiteindelijke doel van het ontrafelen van de heilige graal van echt 1D koolstofallotropen, carbine, " legt Lei Shi uit, eerste auteur van het artikel.

Carbyne is zeer stabiel in dubbelwandige koolstofnanobuisjes. Deze eigenschap is cruciaal voor de uiteindelijke toepassing in toekomstige materialen en apparaten. Volgens theoretische modellen de mechanische eigenschappen van carbyne overtreffen alle bekende materialen, beter presteren dan zowel grafeen als diamant (bijvoorbeeld het is 40 keer stijver dan diamant, twee keer zo stijf als grafeen en heeft een hogere treksterkte dan alle andere koolstofmaterialen).

De elektrische eigenschappen van Carbyne zijn afhankelijk van de lengte van de eendimensionale ketting, dus suggereert nieuwe nano-elektronische toepassingen in kwantumspintransport en magnetische halfgeleiders, naast zijn algemene aantrekkingskracht in natuurkunde en scheikunde. "Dit werk was een voorbeeld van een zeer efficiënte en vruchtbare samenwerking tussen experimenten en theorie om de elektronische en mechanische eigenschappen van laagdimensionale, op koolstof gebaseerde materialen. Het leidde tot de synthese en karakterisering van de langste lineaire koolstofketen ooit. Deze bevindingen vormen het basistestbed voor experimentele studies met betrekking tot elektronencorrelatie en kwantumdynamische faseovergangen in beperkte geometrieën die voorheen niet mogelijk waren. Verder, de mechanische en elektronische eigenschappen van carbyne zijn uitzonderlijk en suggereren een schat aan nieuwe mogelijkheden voor het ontwerp van zowel nano-elektronische als optomechanische apparaten, " besluit Angel Rubio.