Carbin - jednorozměrný uhlík

Jak informoval časopis Nature Materials v říjnu 2016, vědcům z Fyzikální fakulty Vídeňské univerzity se podařilo najít způsob, jak vyrobit stabilní karabinu, tzn. Jednorozměrný uhlík, který je považován za ještě výkonnější než grafen (dvourozměrný uhlík).

Grafen, který je stále považován za velkou naději a předzvěst materiální revoluce, ještě předtím, než se stal realitou v technologii, může být již sesazen z trůnu jeho bratrancem na bázi uhlíku – Karabina. Výpočty ukázaly, že pevnost v tahu karbynu je dvakrát vyšší než u grafenu, zatímco jeho pevnost v tahu zůstává třikrát vyšší než u diamantu. Carbyne je (teoreticky) stabilní při pokojové teplotě, a když jsou jeho vlákna uložena pohromadě, protínají se předvídatelným způsobem.

Jedná se o alotropní formu uhlíku s polyalkynovou (C≡C)n strukturou, ve které atomy tvoří dlouhé řetězce se střídajícími se jednoduchými a trojnými vazbami nebo nahromaděnými dvojnými vazbami. Takový systém se nazývá jednorozměrná (1D) struktura, protože k vláknu o tloušťce jednoho atomu není připojeno nic jiného. Struktura grafenu zůstává dvourozměrná, protože je dlouhá a široká, ale plát je tlustý pouze jeden atom. Dosud provedené výzkumy naznačují, že nejsilnější formou karabiny by byly dvě vzájemně propletené nitě (1).

Donedávna se o karabině vědělo jen málo. Astronomové tvrdí, že byl poprvé detekován v meteoritech a mezihvězdném prachu.

Mingji Liu a tým z Rice University vypočítali teoretické vlastnosti karabiny, které mohou pomoci při empirickém výzkumu. Výzkumníci předložili analýzu zohledňující testy pevnosti v tahu, pevnosti v ohybu a torzní deformace. Vypočítali, že specifická síla karbynu (tj. poměr pevnosti k hmotnosti) je na bezprecedentní úrovni (6,0-7,5×107 N∙m/kg) ve srovnání s grafenem (4,7-5,5×107 N∙m/kg), uhlíkové nanotrubice (4,3-5,0×107 N∙m/kg) a diamant (2,5-6,5×107 N∙m/kg). Rozbití jednoduché vazby v řetězci atomů vyžaduje sílu asi 10 nN. Délka řetězce při pokojové teplotě je asi 14 nm.

Přidáním funkční skupina CH2 konec řetězce karabiny může být zkroucený jako řetězec DNA. „Ozdobením“ karabinových řetězů různými molekulami lze změnit další vlastnosti. Přidání určitých atomů vápníku, které se spojí s atomy vodíku, bude mít za následek houbu pro ukládání vodíku s vysokou hustotou.

Zajímavou vlastností nového materiálu je schopnost vytvářet vazby s postranními řetězci. Proces vytváření a rušení těchto vazeb lze využít k ukládání a uvolňování energie. Karabina tak může sloužit jako velmi účinný materiál pro uchovávání energie, protože její molekuly mají průměr jednoho atomu a pevnost materiálu znamená, že bude možné opakovaně vytvářet a lámat vazby bez rizika přetržení. samotná molekula se rozpadne.

Vše nasvědčuje tomu, že natahováním nebo kroucením karabiny se mění její elektrické vlastnosti. Teoretici dokonce navrhli umístit speciální „držadla“ na konce molekuly, což by vám umožnilo rychle a snadno změnit vodivost nebo zakázané pásmo karbynu.

2. Řetěz karabin uvnitř grafenové struktury

Bohužel všechny známé i dosud neobjevené vlastnosti karabiny zůstanou jen krásnou teorií, pokud neumíme materiál vyrábět levně a ve velkém. Některé výzkumné laboratoře uvedly, že připravují karabinu, ale materiál se ukázal jako vysoce nestabilní. Někteří chemici se také domnívají, že když spojíme dva prameny karabiny, bude exploze. V dubnu letošního roku se objevily zprávy o vývoji stabilní karabiny v podobě závitů uvnitř „stěn“ grafenové struktury (2).

Snad na začátku zmíněná metodika Vídeňské univerzity je průlomová. Měli bychom to zjistit brzy.