'Fullertubes' がカーボン クリスタルのファミリーに加わりました

炭素は、自然界で最も硬い物質の XNUMX つになることもあれば、子供がその痕跡を紙に書き留めるほど柔らかいものになることもあります。 数十年前、科学者たちは疑問に思い始めました: ダイヤモンドとグラファイト以外に、炭素はどのような結晶形をとるのか?

1985 年に、彼らは最初の答えを得ました。 化学者のグループは、60個の炭素原子で構成された小さな中空球体を発見し、それらをバックミンスターフラーレン、または略してバッキーボールまたはフラーレンと名付けました. (結晶は測地線ドームに似ており、建築家 R. バックミンスター フラーによって広められました。) 研究者が最も美しい分子と呼ばれるものの特性と応用を発見しようと競い合う中、新しい化学分野がナノメートル幅の球体の周りに生まれました。

より大きなフラーレンが見つかりました。 それから数年後、日本の物理学者飯島純男による論文が、関連する炭素形態への関心を呼び起こしました。当初はバッキーチューブと呼ばれていましたが、現在はカーボン ナノチューブとして知られています。トイレット ペーパーのように巻き上げられた炭素原子のハニカム格子でできた中空のシリンダーです。チューブ。

炭素結晶は、他のどの元素とも一致しない電気的、化学的、物理的特性のスペクトルを持っていました。 バッキーボールの発見者のうちの 1996 人、ロバート・カール、ハロルド・クロート、リチャード・スモーリーが 2004 年のノーベル化学賞を受賞したとき、カーボン ナノサイエンスに関する興奮はさらに高まりました。 その後、2010 年に、物理学者のアンドレ ガイムとコンスタンチン ノボセロフは、炭素原子の平らなシート (グラフェンとして知られる結晶) を分離する方法を発見しました。これは、それ以来続く研究の別の爆発に火をつけ、XNUMX 年の物理学ノーベル賞を受賞しました。

最近、化学者はさらに別の種類の炭素結晶を発見しましたが、今回はそれほど派手ではありません. この話のために連絡を取った炭素専門家のほとんどは、まだそれについて聞いていませんでした. そしてこれまでのところ、全世界の供給量はおそらく数ミリグラムに達し、およそ一握りのイエバエの質量に相当します。

これらの最新の炭素構造は、球状フラーレンと円筒状ナノチューブの間のどこかに位置します。 それらは、薬のカプセルのような形をしたXNUMXつの「ナノスケールの結婚」です。 ハリー・ドーン、バージニア工科大学と州立大学の化学者であり、 スティーブンスティーヴンソン 分子の最初の発見者であるパデュー大学の博士。 スティーブンソンとドーンはこの結晶にフラーチューブと名付けました。

フラーチューブは、フラーレンとナノチューブの優れた特徴を兼ね備えています。 または両方の最悪。 または、それぞれの良い点と悪い点の一部かもしれません—それはあなたが誰に尋ねるかによって異なります. それらの特性がどのように役立つか、または役立つかどうかはまだわかりません. フラーチューブの有名なカーボンの親戚と一緒に、私たちが以前に行った場所であり、間違いなく今もそうです.

フラーチューブの採掘

フラーチューブの世界の中心は、インディアナ州フォートウェインにあるパデュー大学のキャンパスにあるリビング ルームほどの大きさの化学実験室です。 そこでは、スティーブンソンと彼の学部生の少数の幹部が、さまざまな幅と長さのシリンダーの端にある半球状のキャップで構成される、新たに発見された分子を収集して分類しています。

2020 年、Stevenson と共同研究者は、 最初のメンバー フラーチューブ ファミリーの 90 原子分子で、本質的に 30 原子ナノチューブの中央部分で接続されたバッキーボールの 96 つの半分です。 彼らは、それぞれ 100 個と XNUMX 個の炭素原子でできている XNUMX つの大きな兄弟と共に分子を発見しました。

今年は、スティーブンソンとドーン さらにXNUMXつのフラーチューブについて説明しました、両方とも120個の炭素原子で構成されています。 彼らの研究は、これらの丸薬形状の分子の狭い方が導電性であることを示していますが、興味深いことに、より広くて短い方は半導体であり、トランジスタやその他の電子デバイスに使用できる可能性があることを意味します. フラーチューブには、研究者がまだ調査している範囲の光学特性と引張特性もあります。

シアトルのシステム生物学研究所の James Heath は、1985 年に Curl と Smalley と共に働いていた大学院生として最初のフラーレンの分離に貢献し、彼と彼の同僚をそもそもフラーレンを探す：12個の五角形と偶数個の六角形が閉じた殻を形成できるという規則。 (たとえば、バッキーボールは、サッカー ボールと同じ六角形と五角形のパターンを持っています。フラーチューブは、六角形のベルトを追加しながらルールを維持します。)

この分子は何年もの間、化学者の目の前にあり、長い間フラーレンの主な供給源であった同じ特殊な炭素煤の中に隠れていました。 しかし 2020 年、スティーブンソンは、はるかに豊富なフラーレンの中からチューブ状のカプセルを選ぶ方法をついに見つけました。 彼が言うところの「魔法の」プロセスは、「球形のものは何でも反応させることです。 そのため、ボールをチューブから分離します。」

特別な煤は通常、チャンバー内のグラファイトロッドから炭素を蒸発させることによって作られます。 炭素蒸気がチャンバーの壁で冷却されると、その大部分が凝縮してフラーレンになりますが、スラグの山に宝石のようにまき散らされたまれなフラーチューブも形成されます。 スティーブンソンの手品は、アミンとして知られる水溶性分子に依存しています。 これらは、炭素原子の六角形配置が五角形配置に結合する場所、つまりフラーレン全体に現れる交点に引き寄せられます。 一方、ナノチューブは六角形のみを特徴とするため、アミンには魅力的ではなく、フラーチューブはナノチューブの中央部によってアミンから部分的に保護されています。 したがって、アミンはフラーレンに結合して水に溶けますが、未反応のフラーチューブは不溶性のままです。 スティーブンソンは、フラーレンを洗い流すだけで、フラーチューブを後に残すことができます。

次に、フラーチューブを豊富に含むサンプルを、分子の質量と微妙な化学的差異に基づいて分子を分離する機械に通して、質量、形状、および特性が均一なフラーチューブの純粋なコレクションを生成します。

「スティーブのアプローチは間違いなく非常に魅力的なものです」と化学者は言いました アルデミス・ボゴシアン スイスのエコール ポリテクニック フェデラル ド ローザンヌの教授で、ナノチューブを扱っています。 「これは、私たちの分野では従来使用されていないアプローチです。 …彼はもう少し正確です。

専門家は、フラーチューブの純粋で均一なサンプルを分離する能力は、他の方法よりも分子にはるかに魅力を与えると述べています。 フラーレンも分離できますが、電気回路や光ベースのセンサーのコンポーネントとして有望なフラーチューブやナノチューブを作る電気的および光学的特性が欠けています。 一方、ナノチューブの研究者にとって、純粋さは夢のようなものであり、長さや直径がランダムなチューブの寄せ集めや、チューブ内に入れ子になったチューブを扱うことがよくあります。 では、フラーチューブは、いとこたちを悩ませてきたハードルを克服できるのでしょうか?

バッキーボールに何が起こったのか?

1991で の記事 サイエンティフィック·アメリカン、カールとスモーリーは、新しい炭素ベースの超伝導体、エレクトロニクス、潤滑剤など、バックミンスターフラーレンの革新的な用途を想像しました。 「バルクCの汎用性₆₀ 週ごとに成長しているようだ」と彼らは書いた.

XNUMX年が経過しました。 ノーベル賞委員会は、「実際に役立つアプリケーションはまだ作成されていません」と書いています。 1996年のプレスリリース Curl、Kroto、Smalley がバックミンスターフラーレンの発見で化学賞を受賞したことを発表しましたが、「しかし、これは巨視的な量のフラーレンが利用可能になってから XNUMX 年後には予想されませんでした。」

四半世紀後、当初期待されていた製品はどれも市場に出ていません。 商業的にバッキーボールに出くわすかもしれないいくつかの場所は、抗酸化物質としての分子の可能性を宣伝する化粧品や栄養補助食品です. ただし、どちらの製品タイプも FDA の承認を必要とせず、いくつかの研究でバッキーボールに毒性の兆候が示されています。 (ある研究は、少なくともマウスの寿命を延ばすという健康上の利点を支持しているようです 電離放射線にさらされる; 別の発見 マウスに延命効果はない.)

カリフォルニア大学バークレー校の物理学者 Michael Crommie は、フラーレンは主に他の炭素結晶への道筋を作るために重要であると考えています。 「バッキーボールを手に入れたからです。それがナノチューブにつながり、最終的にグラフェンにつながりました」と彼は言いました。

ナノチューブは、フラーレンよりも科学的および商業的に成功しています。 トカゲの足が微細な毛を使用するのとほぼ同じ方法で、結晶を接着に使用する「ナノテープ」または「ヤモリテープ」で見つけることができます。 ナノチューブは非常に強力で、スチールよりもはるかに優れた性能を発揮する可能性がありますが、超強力なケーブル配線に十分な長さのナノチューブを作成できた人はいません。 それでもなお、ナノチューブは布地、ボートの船体、高性能の車体、テニス ラケットに混ぜられると強度が増します。 また、水をろ過したり、一部のバッテリーの性能を向上させたりするために広く使用されています。

しかし、これらのアプリケーションには、さまざまな長さと直径の大量のナノチューブが含まれますが、精密ナノセンサーなどのより画期的なアプリケーションでは、互いに同一のナノチューブが必要になります。 たとえば、異なるナノチューブから構築された XNUMX つのセンサーは、同じ刺激に対して異なる反応を示します。 電子機器が予測可能な方法で機能するためには、均一なコンポーネントが必要です。

「ナノチューブを本当に分離することはできません」と Boghossian 氏は述べています。 ガイムとノボセロフがグラフェンの発見ではなく、それを分離したことで物理学賞を受賞したのと同じように、「純粋なナノチューブを分離する簡単な方法を見つけた人がノーベル賞を受賞するかもしれません」.

のような研究者 玉黄王 メリーランド大学で 長いナノチューブを切り取る 特定の長さを生成する — ナノチューブの混合から始まり、それらを同一のセクションのコレクションに変換する困難なトップダウン技術. 他の研究者は、原子ごとにボトムアップでナノチューブを構築しようとしていますが、このアプローチは不完全で費用がかかります。

均一な単層シートを備えたグラフェンは、カーボン ナノマテリアルの真の可能性が実現されると Crommie 氏が信じている場所です。 彼の見解では、炭素ベースの電子および磁気デバイスへの最善の方法は、グラフェン リボンを有用な形状にトリミングすることです。彼によると、この技術はすでに実験室で複雑な電子デバイスにつながっているとのことです。

フラーチューブのベイビーステップ

では、フラーチューブはどのような役割を果たしているのでしょうか? 結晶は均一で、導体にも半導体にもなり得るため、Stevenson と Dorn は、ナノサイズのレゴのように結合してミニチュア電子機器を作ることができる可能性があると想像しています。

Boghossian は、細胞内の環境を研究するために、ナノチューブを細胞に挿入します。 彼女は、ナノチューブの蛍光に依存しています。この構造は、ある色の光を吸収して別の色を放出し、光の変化によって細胞の状態に関する情報が明らかになります。 しかし、蛍光はナノチューブの構造に依存し、それらの違いによりシグナルの解釈が難しくなります。 最も短いフラーチューブは蛍光を発しませんが、長いものはその兆候を示します。 より長いフラーチューブがより強い蛍光を発するようになれば、彼女のような研究に恩恵をもたらす可能性があります。 「オプトエレクトロニクス アプリケーションに大いに役立つと思います」と彼女は言いました。

2020年以降、学術出版物を検索すると、約22,700件の論文でフラーレンが言及されています。 ナノチューブは 93,000 に表示されます。 グラフェンを検索すると、200,000 を超える引用が見つかります。 フラーチューブに関しては、これを書いている時点で、これまでの関連出版物の総数は 94 です。

Boghossian 氏は、研究によってナノチューブの特性に似た特性が明らかになり、正確な長さの利点が追加されれば、より多くの研究者が時間の経過とともにフラーチューブに飛躍する可能性があると述べています。 それでも彼女は、「人々はこれまでずっとナノチューブ [および他の炭素形態] に取り組んできたので、ある程度の適応が必要になるだろう」と述べた。