Schwarzity: Długotrwała struktura węglowa łączy grafen, rodzinę fullerenów

Anonim

Odkrycie buckyballs zaskoczyło i zachwyciło chemików w latach 80. XX w., Nanotubesów ożywiło fizyków w latach 90., a grafen zaatakowało naukowców zajmujących się materiałami w 2000 roku, ale jedna nanoskalowa struktura węgla - negatywnie zakrzywiona powierzchnia zwana schwarzitem - wymknęła się wszystkim. Do teraz.

University of California, Berkeley, chemicy udowodnili, że trzy węglowe konstrukcje stworzone niedawno przez naukowców w Korei Południowej i Japonii są w rzeczywistości poszukiwanymi od dawna naukowcami, którzy według przewidywań będą mieli unikalne właściwości elektryczne i magazynowe, takie jak te odkrywane obecnie w buckminsterfullerenes (buckyballs) lub w skrócie fulereny), nanorurki i grafen.

Nowe struktury zostały zbudowane wewnątrz porów zeolitów, krystalicznych form dwutlenku krzemu - piasku - częściej stosowane jako środki zmiękczające wodę w detergentach do prania i katalitycznie rozbijają ropę naftową na benzynę. Nazywane węglami zeolitowymi (ZTC), badano struktury pod kątem możliwych interesujących właściwości, chociaż twórcy nie byli świadomi swojej tożsamości jako schwarzites, którą chemicy teoretycy pracowali od dziesięcioleci.

W oparciu o te teoretyczne prace chemicy przewidują, że schwarzites będą miały unikalne właściwości elektroniczne, magnetyczne i optyczne, które sprawiają, że są przydatne jako superkondensatory, elektrody akumulatorowe i katalizatory oraz w dużych wewnętrznych przestrzeniach idealnych do przechowywania i separacji gazu.

UC Berkeley, kolega z tytułem doktora, Efrem Braun i jego koledzy zidentyfikowali te materiały ZTC jako schwarzites ze względu na ich ujemną krzywiznę i opracowali sposób przewidywania, które zeolity mogą być użyte do wytworzenia β-nitryfikatów, a które nie.

"Mamy teraz przepis na to, jak tworzyć te struktury, co jest ważne, ponieważ jeśli uda nam się je stworzyć, możemy zbadać ich zachowania, których ciężko pracujemy teraz" - powiedział Berend Smit, adiunkt w dziedzinie chemii i chemii. inżynieria biomolekularna w UC Berkeley i ekspert w zakresie porowatych materiałów, takich jak zeolity i struktury metaloorganiczne.

Smit, autor korespondencji tej gazety, Braun i ich koledzy ze Szwajcarii, Chin, Niemiec, Włoch i Rosji, zgłosi swoje odkrycie w tym tygodniu w czasopiśmie Proceedings of National Academy of Sciences.

Grając z węglem

Diament i grafit są dobrze znanymi trójwymiarowymi krystalicznymi układami czystego węgla, ale atomy węgla mogą również tworzyć dwuwymiarowe "kryształy" - układy heksagonalne z wzorem drutu kurczaka. Grafen jest jednym z takich układów: płaski arkusz atomów węgla, który jest nie tylko najsilniejszym materiałem na Ziemi, ale ma również wysoką przewodność elektryczną, która czyni go obiecującym komponentem urządzeń elektronicznych.

Arkusze grafenowe można zwinąć w górę, tworząc kuliste kulki węglowe w kształcie kulek kulkowych, które mogą magazynować molekuły i są obecnie używane do dostarczania leków i genów do organizmu. Walcowanie grafenu do cylindra daje fulereny zwane nanorurkami, które są obecnie badane jako wysoce przewodzące druty w elektronice i zbiorniki do magazynowania gazów, takich jak wodór i dwutlenek węgla. Wszystko to jest submikroskopowe, 10 000 razy mniejsze niż szerokość ludzkiego włosa.

Do tej pory jednak zsyntetyzowano tylko wyraźnie zakrzywione fulereny i grafen, które nie mają krzywizny, a nagrody nagrodzono nagrodami Nobla odpowiednio w 1996 i 2010 roku.

W latach osiemdziesiątych XIX wieku niemiecki fizyk Hermann Schwarz badał negatywnie zakrzywione struktury przypominające powierzchnie bąbelków mydła, a kiedy teoretyczne prace nad cząsteczkami klatek węglowych nabrały rozpędu w latach 90., nazwisko Schwarza stało się związane z hipotetycznie ujemnie zakrzywionymi arkuszami węglowymi.

"Eksperymentalna walidacja schwarzites uzupełnia zatem triumwirat możliwych zakrzywień do grafenu, pozytywnie zakrzywiony, płaski, a teraz negatywnie zakrzywiony" - dodał Braun.

Zminimalizuj mnie

Podobnie jak bańki mydlane na ramkach z drutu, schwarzites są topologicznie minimalnymi powierzchniami. Wewnątrz zeolitu wstrzykuje się parę cząsteczek zawierających węgiel, pozwalając węgliowi zmontować się w dwuwymiarowy arkusz podobny do grafenu, który będzie otaczał ściany porów w zeolicie. Powierzchnia jest naprężona, aby zminimalizować jej powierzchnię, co sprawia, że ​​wszystkie powierzchnie wyginają się ujemnie, jak siodło. Następnie zeolit ​​zostaje rozpuszczony, pozostawiając za sobą schwarzite.

"Te ujemnie zakrzywione węgle były bardzo trudne do zsyntetyzowania na własną rękę, ale okazuje się, że można katalitycznie rozwijać film węglowy na powierzchni zeolitu" - powiedział Braun. "Do tej pory syntezy białek były dokonywane przez dobór szablonów zeolitowych metodą prób i błędów, dostarczamy bardzo proste instrukcje, które można wykonać, aby racjonalnie wytwarzać białka i pokazać, że wybierając odpowiedni zeolit, można dostroić białka w celu zoptymalizowania właściwości chcesz."

Naukowcy powinni umieć pakować niezwykle duże ilości ładunku elektrycznego do schwarzites, co uczyniłoby je lepszymi kondensatorami niż konwencjonalne stosowane dziś w elektronice. Ich duża objętość wewnętrzna umożliwiłaby również przechowywanie atomów i cząsteczek, które również są badane za pomocą fulerenów i nanorurek. A ich duża powierzchnia, równoważna powierzchniowym powierzchniom zeolitów, w których są uprawiane, może uczynić je tak wszechstronnymi jak zeolity do katalizowania reakcji w przemyśle naftowym i gazowym.

Braun modelował struktury ZTC obliczeniowo za pomocą znanych struktur zeolitów i pracował z topologicznym matematykiem Senją Barthel z École Polytechnique Fédérale de Lausanne w Sion w Szwajcarii, aby określić, która z minimalnych powierzchni przypomina struktury.

Zespół ustalił, że spośród około 200 zeolitów utworzonych do tej pory tylko 15 można wykorzystać jako wzorzec do produkcji pierwiastków, a do tej pory tylko trzy z nich zostały użyte do wytworzenia schłodzonych ZTC. Przewidywano jednak ponad milion struktur zeolitowych, więc może być o wiele więcej możliwych struktur z węglem schwarzitowym, wykonanych przy użyciu metody zeolitowej.

menu
menu