Schwarzites: ארוך חיפש מבנה פחמן מצטרף גרפן, משפחת פולרן

Anonim

גילויו של כדורי באקי, הפתיע את הכימאים בשנות השמונים, ננו-צינורות פיזזו את הפיסיקאים בשנות התשעים, וגראפן הטיל על מדעני החומרים בשנות ה -2000, אבל מבנה פחמן ננו-אחד - משטח מעוקל שלילי שנקרא "שוורצייט" - חמק מכל אחד. עד עכשיו.

אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, כימאים הוכיחו כי שלושה מבני פחמן שנוצרו לאחרונה על ידי מדענים בדרום קוריאה וביפן הם למעשה שוורציטים מבוקשים זה מכבר, אשר החוקרים לחזות יהיו תכונות חשמל ואחסון ייחודי כמו אלה מתגלה כעת ב buckminsterfullerenes (buckyballs או fullerenes בקיצור), צינורות וגרפן.

המבנים החדשים נבנו בתוך הנקבוביות של זאוליטים, צורות גבישיות של סיליקון דו-חמצני-חול - יותר נפוץ כמו מרככי מים בדטרגנטים כביסה וכדי קטליטי לפצח דלק לתוך בנזין. קראו zeolite-templated פחמנים (ZTC), המבנים היו נחקרו עבור תכונות מעניינות אפשרי, אם כי היוצרים לא היו מודעים לזהותם כמו שוורציטים, אשר כימאים תיאורטיים עבדו במשך עשרות שנים.

בהתבסס על עבודה תיאורטית זו, כימאים צופים כי שוורציטים יהיו בעלי תכונות אלקטרוניות, מגנטיות אופטיות ייחודיות שיהפכו אותם ליעילים כמעצבי-על, אלקטרודות של סוללות וזרזים, ועם חללים פנימיים גדולים אידיאליים לאחסון גז והפרדה.

UC ברקלי פוסט-דוקטורט, אפרם בראון ועמיתיו, זיהו את חומרי ZTC האלה כשוורציטים המבוססים על העקמומיות השלילית שלהם, ופיתחו דרך לחזות אילו זאוליטים יכולים לשמש לייצור שוורציטים ואינם יכולים.

"עכשיו יש לנו את המתכון איך לעשות את המבנים האלה, וזה חשוב, כי אם אנחנו יכולים לעשות אותם, נוכל לחקור את ההתנהגות שלהם, אשר אנו עובדים קשה לעשות עכשיו", אמר ברנד סמיט, פרופסור נלווה כימי הנדסה biomolecular ב UC ברקלי ומומחה על חומרים נקבוביים כגון zeolites ומסגרות אורגניות מתכת.

סמית, הסופר המקביל של העיתון, בראון ועמיתיהם בשווייץ, סין, גרמניה, איטליה ורוסיה ידווחו על גילוים השבוע בכתב העת " ההליכים של האקדמיה הלאומית למדעים".

משחק עם פחמן

יהלום ו גרפיט ידועים תלת מימדי סידורי גבישי של פחמן טהור, אבל אטומי פחמן יכול גם טופס דו מימדי "גבישים" - סידורים משושה דפוסים כמו חוט עוף. גרפן הוא סידור אחד כזה: גיליון שטוח של אטומי פחמן שאינם רק החומר החזק ביותר על פני כדור הארץ, אלא גם בעל מוליכות חשמלית גבוהה שהופכת אותו למרכיב מבטיח של מכשירים אלקטרוניים.

גיליונות גרפן יכול להיות wadded למעלה כדי ליצור כדור כדורגל בצורת כדוררנים-כדורי פחמן כדוריים שיכולים לאחסן מולקולות והם נמצאים בשימוש היום כדי לספק תרופות וגנים לתוך הגוף. גראפן מתגלגל לתוך גליל תשואות פולרנים הנקראים צינורות, אשר נבדקים כיום כחוטים מוליך מאוד האלקטרוניקה וכלי אחסון עבור גזים כמו מימן ופחמן דו חמצני. כל אלה הם Subicroscopic, 10, 000 פעמים קטן יותר מאשר רוחב של שיער אדם.

עד כה, עם זאת, רק פולרנים מעוקל חיובי גראפן, אשר יש אפס עקמומיות, כבר מסונתז, מהלכים מתגמלת על ידי פרסי נובל בשנת 1996 ו 2010, בהתאמה.

בשנות ה -80 של המאה ה -19, הפיזיקאי הגרמני הרמן שוורץ חקר מבנים מעוקלים שליליים הדומים למשטחי בועות סבון, וכאשר העבודה התיאורטית על מולקולות פחמן בכלוב עלתה בשנות ה -90, שמו של שוורץ הפך מחובר ליריעות הפחמן המעוקלות השליליות של היפותטי.

"האימות הניסויי של שוורציטים משלים בכך את הטריאומווירט של עקמומיות אפשריות לגראפן, מעוקל באופן חיובי, שטוח, ועכשיו מעוקל לשלילה", הוסיף בראון.

מזער אותי

כמו בועות סבון על מסגרות תיל, schwarzites הם משטחי מינימלית טופולוגית. כאשר נעשה בתוך זאוליט, אדים של פחמן המכילים מולקולות מוזרק, ומאפשר פחמן להרכיב לתוך דו מימדי גראפן כמו גיליון רירית הקירות של הנקבוביות בזאוליט. פני השטח נמתחים היטב כדי למזער את השטח שלה, מה שהופך את כל המשטחים לעקומה שלילית, כמו אוכף. זאוליט אז מומס, משאיר מאחור את schwarzite.

"אלה פחמן שלילי מעוקל היה מאוד קשה לסנתז בכוחות עצמם, אבל מתברר שאתה יכול לגדל את הסרט פחמן קטליטית על פני השטח של זאוליט", אמר בראון. "אבל schwarzites מסונתז עד כה נעשו על ידי בחירת תבניות zeolite באמצעות ניסוי וטעייה.אנחנו מספקים הוראות פשוטות מאוד אתה יכול לעקוב באופן רציונלי לעשות schwarzites ואנחנו מראים כי, על ידי בחירת זאוליט הנכון, אתה יכול לכוון schwarzites כדי לייעל את המאפיינים אתה רוצה."

החוקרים צריכים להיות מסוגלים לארוז כמויות גדולות במיוחד של מטען חשמלי לתוך schwarzites, אשר יהפכו אותם קבלים טובים יותר מאשר אלה קונבנציונאלי המשמש כיום האלקטרוניקה. נפח פנימי גדול שלהם תאפשר גם אחסון של אטומים ומולקולות, אשר גם הוא נחקר עם פולרנים וננו צינורות. ואת שטח הפנים הגדול שלהם, שווה את פני השטח של zeolites הם גדלו, יכול לגרום להם כמו תכליתי כמו zeolites עבור תגובות catalyzing בתעשיות הנפט והגז הטבעי.

בראון הדגם מבנים ZTC computationally באמצעות המבנים הידועים של zeolites, ועבד עם המתמטיקאי טופולוגי Senja Barthel של אקול פוליטכניק Fédérale דה לוזאן ב שיאון, שוויץ, כדי לקבוע אילו משטחי מינימלי המבנים הדומים.

הצוות קבע כי, מתוך כ 200 zeolites נוצר עד כה, רק 15 יכול לשמש כתבנית לעשות schwarzites, ורק שלושה מהם שימשו עד כה לייצר ZTCs שוורצייט. מעל מיליון מבנים zeolite כבר חזה, עם זאת, כך יכול להיות הרבה יותר פחמן מבנים schwarzite אפשרי נעשה באמצעות שיטת zeolite-templating.

menu
menu