De ontdekking van buckyballs verraste en verrukte chemici in de jaren tachtig, nanobuisjes maakten fysici in de jaren negentig furore, en grafeen laadden materiaalwetenschappers op in de jaren 2000, maar één koolstofstructuur op nanoschaal - een negatief gekromd oppervlak dat schwarziet wordt genoemd - is iedereen ontgaan. Tot nu.

Universiteit van Californië, Berkeley, scheikundigen hebben bewezen dat drie koolstofstructuren die recentelijk door wetenschappers in Zuid-Korea en Japan zijn gemaakt, in feite de lang gezochte schwarzieten zijn, waarvan onderzoekers voorspellen dat ze unieke elektrische en opslageigenschappen zullen hebben zoals die nu worden ontdekt in buckminsterfullerenen (kortweg buckyballs of fullerenen), nanobuisjes en grafeen.

De nieuwe structuren werden gebouwd in de poriën van zeolieten, kristallijne vormen van siliciumdioxide - zand - dat vaker wordt gebruikt als waterontharder in wasmiddelen en om aardolie katalytisch tot benzine te kraken. Zeoliet-template koolstoffen (ZTC) genoemd, de structuren werden onderzocht op mogelijke interessante eigenschappen, hoewel de makers zich niet bewust waren van hun identiteit als schwarzieten, waaraan theoretische chemici decennialang hebben gewerkt.

Op basis van dit theoretische werk scheikundigen voorspellen dat schwarzieten unieke elektronische, magnetische en optische eigenschappen waardoor ze bruikbaar zouden zijn als supercondensatoren, batterijelektroden en katalysatoren, en met grote interne ruimtes ideaal voor gasopslag en -scheiding.

UC Berkeley, postdoctoraal onderzoeker Efrem Braun en zijn collega's, identificeerden deze ZTC-materialen als schwarzieten op basis van hun negatieve kromming, en ontwikkelde een manier om te voorspellen welke zeolieten kunnen worden gebruikt om schwarzieten te maken en welke niet.

"We hebben nu het recept om deze structuren te maken, wat belangrijk is omdat als we ze kunnen maken, we kunnen hun gedrag onderzoeken, waar we nu hard aan werken, zei Berend Smit, een adjunct-professor chemische en biomoleculaire engineering aan UC Berkeley en een expert op het gebied van poreuze materialen zoals zeolieten en metaal-organische raamwerken.

Smit, de corresponderende auteur van het artikel, Braun en hun collega's in Zwitserland, China, Duitsland, Italië en Rusland zullen deze week verslag doen van hun ontdekking in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

Spelen met koolstof

Diamant en grafiet zijn bekende driedimensionale kristallijne arrangementen van zuivere koolstof, maar koolstofatomen kunnen ook tweedimensionale "kristallen" vormen - zeshoekige rangschikkingen met een patroon als kippengaas. Grafeen is zo'n opstelling:een vlakke plaat van koolstofatomen die niet alleen het sterkste materiaal op aarde is, maar heeft ook een hoge elektrische geleidbaarheid waardoor het een veelbelovend onderdeel is van elektronische apparaten.

Grafeenvellen kunnen worden opgevuld om voetbalvormige fullerenen te vormen - bolvormige koolstofkooien die moleculen kunnen opslaan en die tegenwoordig worden gebruikt om medicijnen en genen in het lichaam af te geven. Door grafeen in een cilinder te rollen, ontstaan ​​fullerenen die nanobuisjes worden genoemd. die tegenwoordig worden onderzocht als sterk geleidende draden in elektronica en opslagvaten voor gassen zoals waterstof en koolstofdioxide. Deze zijn allemaal submicroscopisch, 10, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar.

Daten, echter, alleen positief gekromde fullerenen en grafeen, die nul kromming heeft, zijn gesynthetiseerd, prestaties beloond met Nobelprijzen in 1996 en 2010, respectievelijk.

In de jaren 1880, De Duitse natuurkundige Hermann Schwarz onderzocht negatief gekromde structuren die lijken op zeepbeloppervlakken, en toen het theoretische werk aan koolstofkooimoleculen in de jaren negentig toenam, De naam Schwarz werd gehecht aan de hypothetische negatief gekromde carbonplaten.

"De experimentele validatie van schwarzieten voltooit dus het triumviraat van mogelijke krommingen tot grafeen; positief gekromd, vlak, en nu negatief gebogen, ' voegde Braun eraan toe.

Minimaliseer mij

Als zeepbellen op draadframes, schwarzieten zijn topologisch minimale oppervlakken. Wanneer gemaakt in een zeoliet, een damp van koolstofhoudende moleculen wordt geïnjecteerd, waardoor de koolstof kan assembleren tot een tweedimensionale grafeenachtige plaat die de wanden van de poriën in de zeoliet bekleedt. Het oppervlak is strak gespannen om het oppervlak te minimaliseren, waardoor alle oppervlakken negatief buigen, als een zadel. De zeoliet wordt dan opgelost, de schwarziet achterlatend.

"Deze negatief gekromde koolstoffen waren erg moeilijk om alleen te synthetiseren, maar het blijkt dat je de koolstoffilm katalytisch kunt laten groeien aan het oppervlak van een zeoliet, " zei Braun. "Maar de schwarzieten die tot nu toe zijn gesynthetiseerd, zijn gemaakt door zeolietsjablonen te kiezen met vallen en opstaan. We bieden zeer eenvoudige instructies die u kunt volgen om rationeel schwarzieten te maken en we laten zien dat, door de juiste zeoliet te kiezen, je kunt schwarzites afstemmen om de gewenste eigenschappen te optimaliseren."

Onderzoekers moeten in staat zijn om ongewoon grote hoeveelheden elektrische lading in schwarzieten te stoppen, waardoor ze betere condensatoren zouden zijn dan de conventionele die tegenwoordig in de elektronica worden gebruikt. Hun grote binnenvolume zou ook de opslag van atomen en moleculen mogelijk maken, die ook wordt onderzocht met fullerenen en nanobuisjes. En hun grote oppervlakte, gelijk aan de oppervlakten van de zeolieten waarin ze worden gekweekt, zou ze net zo veelzijdig kunnen maken als zeolieten voor het katalyseren van reacties in de aardolie- en aardgasindustrie.

Braun heeft ZTC-structuren computationeel gemodelleerd met behulp van de bekende structuren van zeolieten, en werkte met topologische wiskundige Senja Barthel van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Sion, Zwitserland, om te bepalen op welke van de minimale oppervlakken de structuren leken.

Het team stelde vast dat van de ongeveer 200 zeolieten die tot nu toe zijn gecreëerd, slechts 15 kunnen worden gebruikt als sjabloon om schwarzieten te maken, en tot nu toe zijn er slechts drie gebruikt om zwarte ZTC's te produceren. Er zijn meer dan een miljoen zeolietstructuren voorspeld, echter, dus er kunnen veel meer mogelijke schwarziet-koolstofstructuren zijn gemaakt met behulp van de zeoliet-templating-methode.