'Fullertubes' liituge süsinikukristallide perekonnaga

Süsinik võib muutuda üheks kõige kõvemaks materjaliks looduses või nii pehmeks, et lapsed kirjutavad selle jäljed paberile. Mitu aastakümmet tagasi hakkasid teadlased mõtlema: milliseid teisi kristallvorme võib süsinik peale teemandi ja grafiidi võtta?

1985. aastal said nad oma esimese vastuse. Rühm keemikuid avastas väikesed 60 süsinikuaatomist koosnevad õõnsad kerad, mida nad nimetasid buckminsterfullereenideks või lühidalt buckyballideks või fullereenideks. (Kristallid meenutasid arhitekt R. Buckminster Fulleri poolt populariseeritud geodeetilisi kupleid.) Nanomeetrilaiuste sfääride ümber tekkis uus keemiavaldkond, kui teadlased püüdlesid, et leida kõige ilusamaks nimetatud molekuli omadusi ja rakendusi.

Leiti suuremaid fullereene. Seejärel, mõni aasta hiljem, tekitas Jaapani füüsiku Sumio Iijima paber huvi seotud süsinikuvormi vastu, mida algselt nimetati buckytorudeks, kuid nüüd tuntakse süsiniknanotorudeks: õõnsad silindrid, mis on valmistatud süsinikuaatomite kärgvõrest, mis on kokku rullitud nagu tualettpaber. toru.

Süsinikukristallidel oli elektriliste, keemiliste ja füüsikaliste omaduste spekter, millele ükski teine ​​element ei paistnud vastavat. Põnevus süsiniku nanoteaduse ümber tõusis veelgi, kui kolm pallide avastajat Robert Curl, Harold Kroto ja Richard Smalley said 1996. aastal Nobeli keemiaauhinna. Seejärel leidsid füüsikud Andre Geim ja Konstantin Novoselov 2004. aastal viisi süsinikuaatomite lamedate lehtede – grafeeni nime all tuntud kristalli – isoleerimiseks, mis käivitas järjekordse plahvatusliku uurimistöö, mis on sellest ajast peale püsinud ja teenis endale 2010. aasta füüsika Nobeli.

Hiljuti avastasid keemikud järjekordse süsinikukristalli tüübi – seekord palju vähema kuulsuse saatel. Enamik süsinikueksperte, kellega selle loo jaoks ühendust võeti, polnud sellest ikka veel kuulnud. Ja siiani ulatub kogu globaalne pakkumine tõenäoliselt milligrammidesse, mis on umbes peotäie toakärbeste mass.

Need uusimad süsinikstruktuurid jäävad kuhugi sfääriliste fullereenide ja silindriliste nanotorude vahele; need on nende kahe nanomõõtmeline abielu, mis on vastavalt ravimikapslile Harry Dorn, Virginia polütehnilise instituudi ja osariigi ülikooli keemik, kes teeb koostööd Steven Stevenson Purdue ülikoolist, molekulide esialgne avastaja. Stevenson ja Dorn on nimetanud kristalle fullertorudeks.

Fullertorud ühendavad fullereenide ja nanotorude parimad omadused. Või mõlemast halvim. Või võib-olla igaühest natuke head ja halba – see sõltub sellest, kellelt küsite. Kuidas või kas nende omadused on kasulikud, jääb alles näha. See on koht, kus oleme Fullertubesi kuulsate süsiniku sugulastega varem olnud ja väidetavalt oleme seda siiani.

Fullertubesi kaevandamine

Fullertube'i maailma keskpunkt on elutoa suurune keemialabor Purdue's Fort Wayne'is Indiana osariigis. Seal koguvad Stevenson ja tema väike üliõpilaste kaader kokku ja taksonomiseerivad vastleitud molekule, mis koosnevad erineva laiuse ja pikkusega silindrite otstes olevatest poolkerakujulistest korkidest.

2020. aastal teatasid Stevenson ja kaastöötajad esimene liige Fullertoru perekonda kuuluv 90-aatomiline molekul, mis on sisuliselt kaks poolikut, mis on ühendatud 30-aatomilise nanotoru keskosaga. Nad leidsid selle molekuli koos kahe suurema õe-vennaga, mis koosnesid vastavalt 96 ja 100 süsinikuaatomist.

Sel aastal Stevenson ja Dorn kirjeldas veel kahte fullertuubi, mis mõlemad koosnevad 120 süsinikuaatomist. Nende uuringud näitavad, et kitsam neist pillikujulistest molekulidest on elektrit juhtiv, samas kui laiem, lühem on intrigeerivalt pooljuht, mis tähendab, et seda saab potentsiaalselt kasutada transistoride ja muude elektroonikaseadmete jaoks. Fullertorudel on ka mitmeid optilisi ja tõmbeomadusi, mida teadlased veel uurivad.

James Heath Seattle'i Süsteemibioloogia Instituudist, kes aitas 1985. aastal Curli ja Smalleyga töötades magistrandina isoleerida esimesi fullereene, nimetas uusi fullertorusid "armsateks struktuurideks", mis järgivad sama geomeetrilist reeglit, mis viis tema ja ta kolleegideni. kõigepealt otsi fullereene: reegel, et 12 viisnurka ja paarisarv kuusnurki võivad moodustada suletud kesta. (Näiteks Buckyballidel on sama kuusnurkade ja viisnurkade muster nagu jalgpallipallil. Fullertorud säilitavad reegli, lisades samal ajal kuusnurkadest täiendavaid rihmasid.)

Molekulid on olnud aastaid keemikute nina all, peitudes samas erilises süsiniku tahmas, mis on pikka aega olnud fullereenide peamine allikas. Kuid 2020. aastal mõtles Stevenson lõpuks välja, kuidas torukujulised kapslid palju rikkalikumate fullereenide hulgast välja valida. "Maagiline" protsess, nagu ta seda nimetab, seisneb "reageerida ära kõigele sfäärilisele". Seega eraldame pallid torudest.

Spetsiaalne tahm valmistatakse tavaliselt süsiniku aurustamisel kambri sees olevatest grafiitvarrastest. Kui süsiniku aur kambri seintel jahtub, kondenseerub suur osa sellest fullereenideks, kuid moodustuvad ka haruldased fullertorud, mida puistatakse nagu kalliskivid räbu mägedesse. Stevensoni võlutrikk tugineb vees lahustuvatele molekulidele, mida nimetatakse amiinideks. Neid köidavad kohad, kus süsinikuaatomite kuusnurksed paigutused kinnituvad viisnurkse paigutusega - ristumiskohad, mis ilmuvad kõikjal fullereenides. Nanotorud seevastu ei ole amiinidele atraktiivsed, kuna neil on ainult kuusnurgad ja täistorud on osaliselt amiinide eest kaitstud nende nanotoru keskosaga. Ehkki amiinid seostuvad fullereenidega, muutes need vees lahustuvad, jäävad reageerimata fullertuubid lahustumatuks; Stevenson võib fullereenid lihtsalt ära loputada, jättes fullertuubid maha.

Seejärel juhib ta oma täistoruga rikastatud proove masinate kaudu, mis eraldavad molekulid nende massi ja peente keemiliste erinevuste põhjal, saades puhtad kogud täistorudest, millel on ühtlane mass, kuju ja omadused.

"Steve'i lähenemine on kindlasti midagi põnevat," ütles keemik Ardemis Boghossian Šveitsis asuvast École Polytechnique Fédérale de Lausanne'ist, kes töötab nanotorudega. „See on lähenemine, mida meie valdkonnas tavapäraselt ei kasutata. ... Tema on natuke täpsem.

Eksperdid väidavad, et võime eraldada puhtaid ja ühtlaseid täistorude proove annab molekulidele palju võluvama, kui nad muidu oleksid. Fullereene saab ka eraldada, kuid neil puuduvad elektrilised ja optilised omadused, mis muudavad fullertorud ja nanotorud paljutõotavaks komponentidena elektriskeemides või valguspõhistes andurites. Samal ajal jääb puhtus nanotorude uurijate jaoks vaid unistuseks, kes sageli töötavad juhusliku pikkuse ja läbimõõduga torude ja isegi torude sees olevate torudega. Kas fullertubes saaks siis ületada tõkked, mis on tema nõod aidanud?

Mis iganes Buckyballsiga juhtus?

Aastal 1991 artikkel sisse Scientific American, Curl ja Smalley kujutasid ette buckminsterfullereenide revolutsioonilisi rakendusi, sealhulgas uusi süsinikupõhiseid ülijuhte, elektroonikat ja määrdeaineid. "Huhtlisse C mitmekülgsus₆₀ näib kasvavat nädalast nädalasse," kirjutasid nad.

Möödus viis aastat. "Praktiliselt kasulikke rakendusi pole veel toodetud," kirjutas Nobeli preemia komitee 1996. aasta pressiteade teatades, et Curl, Kroto ja Smalley võitsid keemiaauhinna buckminsterfullereenide avastamise eest, "kuid seda ei saa oodata juba kuus aastat pärast fullereenide makroskoopiliste koguste kättesaadavust."

Veerand sajandit hiljem ei ole ükski algselt loodetud toode turule jõudnud. Vähesed kohad, kus võite kommertspallidega kokku puutuda, on kosmeetika ja toidulisandid, mis näitavad molekuli potentsiaali antioksüdandina. Kumbki tootetüüp ei vaja siiski FDA heakskiitu ja mitmed uuringud on näidanud pallidel mürgisuse märke. (Üks uuring näib toetavat kasu tervisele, vähemalt hiirte eluea pikendamisel kokku puutunud ioniseeriva kiirgusega; teine ​​leiab hiirtel eluea pikendav kasu puudub.)

California Berkeley ülikooli füüsik Michael Crommie peab fullereene oluliseks peamiselt teiste süsinikukristallide jälgede sepistamisel. "Sellepärast, et meil on pallid," ütles ta, "mis viis nanotorudeni ja lõpuks grafeenini."

Nanotorudel on olnud rohkem teaduslikku ja kaubanduslikku edu kui fullereenidel. Saate neid kätte saada riistvarapoest, kus need on "nanolindil" või "gekolindil", mis kasutab kristalle adhesiooniks samamoodi nagu sisalike jalad mikroskoopilisi karvu. Nanotorud on erakordselt tugevad ja võivad terasest tunduvalt paremad olla – välja arvatud see, et kellelgi pole õnnestunud valmistada ülitugevate kaablite jaoks piisava pikkusega nanotorusid. Siiski lisavad nanotorud kangasse, paadikeredesse, suure jõudlusega autokeredesse ja tennisereketitesse segamisel tugevust. Neid kasutatakse laialdaselt ka vee filtreerimiseks ja mõne aku jõudluse parandamiseks.

Kuid kui need rakendused hõlmavad suures koguses erineva pikkuse ja läbimõõduga nanotorusid, on murrangulisemate rakenduste jaoks, nagu täppis-nanosensorid, vaja nanotorusid, mis on üksteisega identsed. Näiteks kaks erinevatest nanotorudest ehitatud andurit reageerivad samale stiimulile erinevalt. Elektroonika vajab prognoositavalt toimimiseks ühtseid komponente.

"Me ei saa tegelikult nanotorusid eraldada," ütles Boghossian. "Võib-olla võib inimene, kes leiab lihtsa viisi puhaste nanotorude eraldamiseks, saada Nobeli preemia," nagu Geim ja Novoselov võitsid füüsikaauhinna mitte grafeeni avastamise, vaid selle isoleerimise eest.

Teadlastele meeldib YuHuang Wang Marylandi ülikoolis töötatakse välja viis, kuidas lõika pikki nanotorusid kindlate pikkuste tootmiseks – vaevaline ülalt-alla tehnika, mis algab nanotorude seguga ja muudab need identsete sektsioonide kogumiks. Teised teadlased üritavad konstrueerida nanotorusid alt üles, aatomhaaval, kuid see lähenemine on vigane ja kallis.

Grafeen oma ühtsete ühekihiliste lehtedega on koht, kus Crommie usub, et süsiniknanomaterjalide tõeline potentsiaal realiseerub. Tema arvates on parim viis süsinikupõhiste elektrooniliste ja magnetiliste seadmete saamiseks grafeeniribade lõikamine kasulikuks kujuks - tehnika on tema sõnul juba viinud laboris keerukate elektroonikaseadmeteni.

Baby Steps Fullertubesile

Niisiis, millist rolli, kui üldse, võiksid täita täistorud? Kuna kristallid on ühtlased ja võivad olla kas juhid või pooljuhid, kujutavad Stevenson ja Dorn ette, et neid võiks potentsiaalselt ühendada nagu nano-suuruses Legod, et valmistada miniatuurset elektroonikat.

Boghossian sisestab nanotorud rakkudesse, et uurida sisekeskkonda. Ta tugineb nanotoru fluorestsentsile: struktuurid neelavad ühte värvi valgust ja kiirgavad teist ning valguse muutus näitab teavet rakutingimuste kohta. Kuid fluorestsents sõltub nanotorude struktuurist ja erinevused nende vahel muudavad signaalide tõlgendamise raskemaks. Lühimad fullertorud ei fluorestseeru, kuid pikematel on sellest märke. Kui isegi pikemad täistorud fluorestseerivad tugevamalt, võivad need olla kasulikud uurimiseks nagu tema. "Ma arvan, et see aitab optoelektrooniliste rakenduste puhul palju," ütles ta.

Alates 2020. aastast on akadeemiliste väljaannete otsingu kohaselt fullereene mainitud umbes 22,700 93,000 ettekandes. Nanotorusid ilmub 200,000 94. Grafeeniotsing toob üle XNUMX XNUMX tsitaadi. Fullertubes'i puhul on selle kirjutamise seisuga kõigi aegade asjakohaste väljaannete koguarv XNUMX.

Boghossian ütleb, et rohkem teadlasi võib aja jooksul teha hüppe täistorude suunas, kui uuringud näitavad nanotorude omadusi, millele lisandub täpsed pikkused. Siiski ütles ta: "see nõuab mõningast kohanemist, sest inimesed on nanotorude [ja muude süsinikuvormide] kallal kogu oma elu töötanud."