science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Natuurkundigen beschrijven een nieuw type amorfe vaste lichamen

Veel stoffen met verschillende chemische en fysische eigenschappen, van diamant tot grafiet, zijn opgebouwd uit koolstofatomen. Amorfe vormen van vaste koolstof hebben geen vaste kristalstructuur en bestaan ​​uit structurele eenheden:grafeendeeltjes in nanoformaat. Een team van natuurkundigen van de RUDN University bestudeerde de structuur van amorfe koolstof en stelde voor deze te classificeren als een apart type amorfe vaste lichamen:een moleculaire amorf met gedwongen fragmentatie. Krediet:RUDN University

Veel stoffen met verschillende chemische en fysische eigenschappen, van diamant tot grafiet, zijn opgebouwd uit koolstofatomen. Amorfe vormen van vaste koolstof hebben geen vaste kristalstructuur en bestaan ​​uit structurele eenheden:grafeendeeltjes in nanoformaat. Een team van natuurkundigen van de RUDN University bestudeerde de structuur van amorfe koolstof en stelde voor deze te classificeren als een apart type amorfe vaste lichamen:een moleculaire amorf met gedwongen fragmentatie. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in de Fullerenen, Nanobuisjes en koolstofnanostructuren logboek.

Vaste koolstof heeft veel allotrope modificaties. Het betekent dat stoffen met verschillende chemische en fysische eigenschappen kunnen worden opgebouwd uit één en dezelfde atomen die in verschillende structuren zijn gerangschikt. De verscheidenheid aan koolstofallotropen is te wijten aan de speciale eigenschappen van de atomen, namelijk hun unieke vermogen om single te vormen, dubbele, en drievoudige valentiebindingen. Indien, door bepaalde reactieomstandigheden, alleen enkele bindingen worden gevormd (d.w.z. de zogenaamde sp 3 -hybridisatie plaatsvindt), vaste koolstof heeft de vorm van een driedimensionaal raster van tetraëders, d.w.z. een diamant. Als de omstandigheden gunstig zijn voor de vorming van dubbele bindingen (sp 2 -hybridisatie), vaste koolstof heeft de vorm van grafiet - een structuur van platte lagen gemaakt van kamachtige zeshoekige cellen. Afzonderlijke lagen van dit vaste lichaam worden grafeen genoemd. Deze twee soorten vaste koolstofstructuren worden zowel in geordende kristallen als niet-geordende amorfe lichamen waargenomen. Vaste koolstof is wijdverbreid in de natuur, zowel als afzettingen van kristallijn gesteente (grafiet of diamant) als in de amorfe vorm (bruine en zwarte steenkool, shungiet, antraxoliet, en andere mineralen).

In tegenstelling tot zijn kristallijne vorm, natuurlijke amorfe koolstof behoort tot de sp 2 type. Een grote studie van de structuur en elementaire samenstelling van sp 2 amorfe koolstof werd uitgevoerd op initiatief en met de deelname van een team van natuurkundigen van de RUDN University. In de loop van de studie, het team nam ook spectrale metingen met behulp van foto-elektronische spectroscopie, inelastische neutronenverstrooiing, infrarood absorptie, en Raman-verstrooiing. Op basis van de resultaten van het onderzoek, het team concludeerde dat sp 2 amorfe koolstof is een fractale structuur gebaseerd op grafeendomeinen van nanoformaat die worden omgeven door atomen van andere elementen (waterstof, zuurstof, stikstof, zwavel, enzovoort). Met deze hypothese het team herschreef virtueel de geschiedenis van amorfe koolstof die de mensheid kent sinds de allereerste door de mens veroorzaakte brand.

"De ontdekking en experimentele bevestiging van de aard van grafeen van het 'zwarte goud' zal de theorie volledig veranderen, modellering, en interpretatie van experimenten met deze klasse van stoffen. Echter, sommige vragen blijven onbeantwoord. Wat maakt de vastestoffysica van deze amorfe toestand van vaste koolstof? Welke rol speelt amorf koolstof met sp 2 -hybridisatie spelen in het grotere geheel? We probeerden onze eigen antwoorden te vinden, " zei Elena Sheka, een doctoraat in natuurkunde en wiskunde, en een Consulting Professor aan de Faculteit der Natuurkunde en Wiskunde en Natuurwetenschappen, RUDN-universiteit.

Het team heeft twee jaar lang de aard van amorfe koolstof grondig bestudeerd. Andere resultaten van dit ambitieuze project werden gepubliceerd in Fullerenen, Nanobuisjes en koolstofnanostructuren , Journal of Physical Chemistry C , en Journal of niet-kristallijne vaste stoffen, Nanomaterialen . Samen, deze werken bevestigen een doorbraak die de natuurkundigen van de RUDN University hebben bereikt in dit complexe veld van de natuurkunde.

"We hebben veel studies over amorfe sp . geanalyseerd 2 koolstof vanuit het oogpunt van ons algemene begrip van amorfe vaste lichamen. Op basis van ons onderzoek, we kunnen bevestigen dat het tot een nieuw type amorfe stoffen behoort, ", voegde Elena Sheka van de RUDN University eraan toe.