Одномерный углерод — абсолютный рекордсмен по прочности

Углеродные нанотрубки часто приводят как пример одномерного материала. Но это не совсем корректно, так как они имеют внутреннюю и внешнюю поверхность. Тем не менее, углерод действительно может существовать в одномерном виде. Такая его форма называется карбин: она состоит из цепочек атомов, связанных двойными или чередующимися одинарными и тройными атомными связями.

Теоретически существование карбина было предсказано еще в XIX столетии, а синтезировать близкое к нему вещество удалось в СССР в 1960 г. С тех пор одномерный углерод находили в сжатом графите, в межзвезной пыли, и, в небольших количествах, его синтезировали экспериментаторы.

Одномерность обеспечивает карбину ряд уникальных свойств, которые описываются в статье для журнала ACS Nano, группы авторов во главе с Борисом Якобсоном (Boris Yakobson) из частного университета Райса (Хьюстон, штат Техас).

Согласно оценкам, полученным группой Якобсона на основе численного моделирования с применением суперкомпьютера DaVinCI, карбин обладает наивысшим сопротивлением растяжению (пределом прочности) среди всех известных материалов, вдвое превосходя по этому параметру графен и углеродные нанотрубки, и втрое — алмаз.

Растягивание карбина всего на 10% значительно изменяет его запрещенную зону. При наличии молекулярных рычагов на концах углеродной цепочки, ее можно скручивать, также изменяя характеристики запрещенной зоны. Так, поворот на 90° превращает карбин в магнитный полупроводник.

К карбиновым цепочкам можно присоединять молекулы, что делает их пригодными для накопления энергии.

Кроме того, этот материал стабилен при комнатной температуре и устойчив к образованию связей между соседними цепочками. Этот результат моделирования противоречит высказывавшимся в литературе предположениям о том, что карбин нестабилен и быстро превращается в сажу или графит. По полученным данным, цепочки могут сцепляться, но лишь в одной точке, образуя структуру, напоминающую крылья бабочки. В макроскопическом плане это приведет к образованию пористого материала с хорошей адсорбцией.

Этот впечатляющий набор свойств для простой цепочки атомов углерода, делает данный материал полезным для наномеханических систем, спинтронных устройств, сенсоров и хранения энергии.

«Обычно ищется так называемое базовое состояние, конфигурация атомов с низшей возможной энергией, — комментирует Якобсон. — Для углерода это графит, затем алмаз, затем нанотрубки, затем фуллерены. Но никто не задается вопросом о (стабильной) конфигурации с наивысшей энергией». На основе проведенных расчетов, исследователи предполагают, что такой устойчивой структурой углерода с самой высокой энергией может быть карбин.

В дальнейшем ученые намерены более детально изучить проводящие свойства карбина и применить ту же методику для поиска устойчивых одномерных конфигураций других элементов периодической таблицы.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365