Stabiliteitsoplossing brengt een unieke vorm van koolstof dichter bij praktische toepassing

Carbyne, een eendimensionale keten van koolstofatomen, is ongelooflijk sterk omdat hij zo dun is, waardoor het een intrigerende mogelijkheid is voor gebruik in de volgende generatie elektronica, maar de extreme instabiliteit waardoor het buigt en op zichzelf klikt, het bijna onmogelijk is om te produceren, laat staan ​​dat er voldoende van produceerde voor geavanceerde studies. Nu kan een internationaal team van onderzoekers, waaronder van Penn State, een oplossing hebben.

Het onderzoeksteam heeft Carbyne ingesloten in eenwandige koolstofnanobuisjes-kleine, buisvormige structuren die volledig zijn gemaakt van koolstof die duizenden keren dunner zijn dan een menselijk haar. Door dit bij lage temperaturen te doen, wordt Carbyne stabieler en gemakkelijker te produceren, wat mogelijk leidt tot nieuwe vooruitgang in materiaalwetenschappen en technologie, zeiden de onderzoekers.

Ze noemden de ontwikkeling ‘veelbelovend nieuws’, omdat wetenschappers al tientallen jaren moeite hebben om een ​​stabiele vorm van carbyne te creëren in voldoende groot aantal hoeveelheden voor dieper onderzoek.

“De geschiedenis van de ontdekking van Carbyne is als een detective-verhaal” gepubliceerd in ACS nano. “Het werd theoretisch voorspeld, maar gedurende vele jaren waren pogingen om het te synthetiseren niet succesvol omdat de ketens of ofwel onbedoelde bindingen zouden buigen of vormen.”

Deze instabiliteit maakte het moeilijk om te bestuderen en nog moeilijker om je voor te stellen in echte toepassingen. Net als grafeen, echter, het atomisch dunne tweedimensionale koolstofmateriaal dat al in sommige elektronica werd toegepast, bleven Carbyne’s extreme sterkte en elektronische eigenschappen onderzoekers verleiden met zijn potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in elektronica, zei Rotkin. De aantrekkingskracht is echter nog groter met Carbyne, omdat het een ingebouwd voordeel heeft ten opzichte van grafeen.

“Net als grafeen kan Carbyne elektronen zeer snel laten bewegen,” zei Rotkin. “Carbyne heeft echter ook iets dat een ‘halfgeleiderspleet’ wordt genoemd, wat het nuttig maakt voor het bouwen van transistors, de kleine schakelaars die stroomelektronica. Grafeen daarentegen heeft deze kloof niet, dus het kan niet op dezelfde manier worden gebruikt.”

Een halfgeleiderspleet is een kleine energiekloof waarmee een materiaal kan fungeren als een schakelaar voor elektrische stroom. Grafeen kan in zijn zuivere vorm geen transistor zelf zijn omdat elektronen er altijd doorheen kunnen stromen, omdat het deze kloof niet heeft. Grafeen kan worden ontworpen om een ​​opening te hebben door verschillende toevoegingen en manipulaties, maar Carbyne heeft de kloof op natuurlijke wijze. Dit betekent dat in de toekomst in de op Carbyne gebaseerde elektronica gemakkelijker snellere, efficiëntere prestaties zou kunnen bieden in vergelijking met de hedendaagse op siliconen gebaseerde technologie.

Samen met mogelijk het oplossen van het instabiliteitsprobleem, zou de nieuwe synthese -aanpak van de onderzoekers ook een andere wegversperring kunnen oplossen in de weg naar Carbyne die het grote potentieel van het grote potentieel bevindt. Een van de grootste uitdagingen in Carbyne -onderzoek heeft het in aanzienlijke hoeveelheden geproduceerd. In het verleden konden slechts kleine hoeveelheden carbyne worden gemaakt, vaak onder extreme omstandigheden zoals hoge temperaturen, intense druk of in chemisch reactieve omgevingen. Dit zijn factoren die het voor wetenschappers moeilijk hebben gemaakt om de eigenschappen ervan volledig te verkennen. De nieuwe synthesemethode verandert echter dat.

Wat deze nieuwe methode opvalt, is hoeveel eenvoudiger en effectiever het is in vergelijking met oudere technieken, zeiden de onderzoekers. Ten eerste gebruikte het team een ​​speciale voorloper, die fungeert als zacht startmateriaal, genaamd Ammonium Cholate om Carbyne te laten groeien bij veel lagere temperaturen.

Ten tweede gebruikten ze eenwandige koolstofnanobuisjes als een soort beschermende schaal rond de Carbyne, die veel beter werkt dan de dikkere, meerlagige buizen die in het verleden werden gebruikt. Deze schaal helpt de fragiele Carbyne stabiel te houden.

Ten slotte produceert de nieuwe methode veel meer carbyne dan voorheen, wat betekent dat wetenschappers het nu in meer detail kunnen bestuderen en onderzoeken hoe het kan worden gebruikt in real-world toepassingen.

“Twee belangrijke vooruitgang van deze techniek zijn de lage kosten en hoge opbrengst,” zei Rotkin. “Dit opent de deur voor bredere studies, zowel in fundamentele wetenschap als in de richting van echte toepassingen.”

Door Carbyne in koolstofnanobuisjes in te kapselen, hebben onderzoekers ook een manier gevonden om zijn unieke eigenschappen te behouden. De nanobuisjes fungeren als beschermende schelpen, waardoor de Carbyne niet kapot gaat, terwijl wetenschappers het nog steeds in zijn bijna pure vorm kunnen bestuderen.

“Belangrijk is dat nanobuisjes met één muur de Carbyne-ketting niet veel storen,” merkte Rotkin op. “Er zijn alleen zachte van der Waals -interacties – zwakke krachten waarmee de Carbyne op zijn plaats kan blijven zonder zich te binden aan de nanobuiswanden.”

Terwijl toepassingen in de praktijk nog in de vroege stadia zijn, is het potentieel van Carbyne enorm, zei Rotkin. Omdat het een sterk gecorreleerd materiaal is, gaan de eigenschappen verder dan de klassieke fysica, wat betekent dat het toepassingen zou kunnen hebben in de volgende generatie computing en nanotechnologie.

“Materialen zoals deze hebben complex gedrag, zowel als ze zich in hun normale toestand bevinden en wanneer ze enthousiast zijn,” zei Rotkin. “Dit betekent dat we te maken hebben met kwantummaterialen, wat zou kunnen leiden tot geheel nieuwe technologieën.”

Het onderzoeksteam deed ook een onverwachte ontdekking tijdens het onderzoek. Ze ontdekten dat een gemeenschappelijk oplosmiddel – cholaat, een zout van cholzuur dat het menselijk lichaam gebruikt om organische verbindingen op te lossen – zou kunnen transformeren in carbyne -ketens zonder extra complexe stappen.

“Het was een complete verrassing dat een gemeenschappelijk oplosmiddel zoals cholaat kan transformeren in de Carbyne -keten zonder verder probleem,” zei Rotkin. “Het liet zien hoe zelfs bekende materialen een nieuwe rol kunnen spelen in de geavanceerde chemie.”

Hoewel veel vragen over Carbyne onbeantwoord blijven, zei Rotkin dat hij gelooft dat dit een belangrijke stap voorwaarts is. Met een stabiele manier om carbyne in grotere hoeveelheden te produceren, kunnen onderzoekers nu het potentieel ervan dieper onderzoeken.

“In het verleden was de hoeveelheid materiaal die beschikbaar was voor studie nauwelijks genoeg voor een of twee groepen om het bestaan ​​ervan te bevestigen,” zei Rotkin. “Nu hebben we de mogelijkheid om de eigenschappen en toepassingen echt te begrijpen.”