„Fullertubes” se alătură familiei de cristale de carbon

Carbonul se poate aranja într-unul dintre cele mai dure materiale din natură sau într-unul atât de moale încât copiii înscriu urmele lui pe hârtie. Cu câteva decenii în urmă, oamenii de știință au început să se întrebe: în afară de diamant și grafit, ce alte forme cristaline ar putea lua carbonul?

În 1985, au primit primul răspuns. Un grup de chimiști a descoperit mici sfere goale construite din 60 de atomi de carbon pe care le-au numit buckminsterfulerene, sau buckyballs sau fullerene pe scurt. (Cristalele semănau cu cupole geodezice, popularizate de arhitectul R. Buckminster Fuller.) Un nou domeniu de chimie a apărut în jurul sferelor late nanometrice, în timp ce cercetătorii s-au străbătut să descopere proprietățile și aplicațiile a ceea ce a fost numită cea mai frumoasă moleculă.

S-au găsit fulerene mai mari. Apoi, câțiva ani mai târziu, o lucrare a fizicianului japonez Sumio Iijima a stârnit interesul pentru o formă similară de carbon, numită inițial buckytubes, dar acum cunoscută sub numele de nanotuburi de carbon: cilindri goli formați dintr-o rețea de tip fagure de atomi de carbon care se rulează ca o hârtie igienică. tub.

Cristalele de carbon aveau un spectru de proprietăți electrice, chimice și fizice pe care niciun alt element nu părea să se potrivească. Emoția în jurul nanoștiinței carbonului a crescut și mai mult când trei dintre descoperitorii buckyballs, Robert Curl, Harold Kroto și Richard Smalley, au primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1996. Apoi, în 2004, fizicienii Andre Geim și Konstantin Novoselov au găsit o modalitate de a izola foile plate de atomi de carbon - un cristal cunoscut sub numele de grafen - declanșând o altă explozie de cercetare care s-a susținut de atunci și câștigându-și ei înșiși premiul Nobel pentru fizică în 2010.

Recent, chimiștii au descoperit încă un alt tip de cristal de carbon - de data aceasta, cu mult mai puțină fanfară. Majoritatea experților în carbon contactați pentru această poveste încă nu auziseră de ea. Și până acum, întreaga aprovizionare globală se ridică probabil la miligrame, aproximativ masa unui pumn de muște de casă.

Aceste cele mai noi structuri de carbon se încadrează undeva între fulerene sferice și nanotuburi cilindrice; Ele sunt „o căsătorie la scară nanometrică” a celor doi, care are forma unei capsule de medicamente, potrivit Harry Dorn, chimist la Institutul Politehnic din Virginia și Universitatea de Stat care colaborează cu Steven Stevenson de la Universitatea Purdue, descoperitorul inițial al moleculelor. Stevenson și Dorn au numit cristalele fullertubes.

Fullertubes combină cele mai bune caracteristici ale fulerenelor și nanotuburilor. Sau cel mai rău dintre ambele. Sau poate un pic din bine și rău de la fiecare - depinde de cine întrebi. Cum sau dacă proprietățile lor vor fi utile, rămâne de văzut. Este un loc în care am mai fost și, probabil, încă suntem, cu rudele celebre ale carbonului fullertubes.

Exploatare pentru Fullertubes

Centrul lumii fullertube este un laborator de chimie de dimensiunea unei camere de zi din campusul Purdue's Fort Wayne, Indiana. Acolo, Stevenson și grupul său mic de studenți colectează și taxonomizează moleculele noi, care constau din capace emisferice la capetele cilindrilor de diferite lățimi și lungimi.

În 2020, Stevenson și colaboratorii au anunțat primul membru din familia fullertube, o moleculă de 90 de atomi care reprezintă în esență două jumătăți de buckyball conectate printr-o secțiune mediană de nanotuburi de 30 de atomi. Ei au găsit molecula împreună cu doi frați mai mari formați din 96 și, respectiv, 100 de atomi de carbon.

Anul acesta, Stevenson și Dorn a descris încă două tuburi pline, ambele formate din 120 de atomi de carbon. Studiile lor arată că cea mai îngustă dintre aceste molecule în formă de pastilă este conducătoare de electricitate, în timp ce cea mai largă și mai scurtă este - în mod intrigant - un semiconductor, ceea ce înseamnă că ar putea fi utilizată pentru tranzistori și alte dispozitive electronice. Fullertubes au, de asemenea, o serie de proprietăți optice și de tracțiune pe care cercetătorii încă le explorează.

James Heath de la Institutul de Biologie a Sistemelor din Seattle, care a ajutat la izolarea primelor fulerene ca student absolvent care lucra cu Curl și Smalley în 1985, a numit noile tuburi pline „structuri minunate” care urmează aceeași regulă geometrică care l-a determinat pe el și pe colegii săi la caută în primul rând fulerene: regula conform căreia 12 pentagoane și un număr par de hexagoane pot forma un înveliș închis. (Buckyballs, de exemplu, au același model de hexagoane și pentagoane ca o minge de fotbal. Fullertubes mențin regula în timp ce adaugă curele suplimentare de hexagoane.)

Moleculele au fost sub nasul chimiștilor de ani de zile, ascunzându-se în aceeași funingine specială de carbon care a fost mult timp sursa principală de fulerene. Dar în 2020, Stevenson și-a dat seama în sfârșit cum să aleagă capsulele tubulare dintre fullerenele mult mai abundente. Procesul „magic”, așa cum îl numește el, este „a reacționa în afara oricăror sferici. Așa că separăm mingile de tuburi.”

Funinginea specială este de obicei făcută prin vaporizarea carbonului de pe tijele de grafit în interiorul unei camere. Pe măsură ce vaporii de carbon se răcesc pe pereții camerei, o mare parte din ei se condensează în fulerene, dar se formează și tuburi pline rare, presărate ca niște pietre prețioase într-un munte de zgură. Trucul magic al lui Stevenson se bazează pe molecule solubile în apă cunoscute sub numele de amine. Aceștia sunt atrași de locurile în care aranjamentele hexagonale ale atomilor de carbon se atașează de aranjamente pentagonale - intersecții care apar peste tot pe fullerene. Nanotuburile, pe de altă parte, nu sunt atractive pentru amine, deoarece prezintă doar hexagoane, iar tuburile pline sunt parțial protejate de amine prin secțiunile centrale ale nanotuburilor. Deci, în timp ce aminele se leagă de fulerene, făcându-le solubile în apă, tuburile pline nereacționate rămân insolubile; Stevenson poate clăti pur și simplu fullerenele, lăsând în urmă tuburile pline.

Apoi își trece mostrele îmbogățite cu fullertube prin mașini care separă moleculele pe baza masei lor și a diferențelor chimice subtile, obținând colecții pure de fullertubes cu mase, forme și proprietăți uniforme.

„Abordarea lui Steve este cu siguranță ceva destul de fascinant”, a spus chimistul Ardemis Boghossian de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne din Elveția, care lucrează cu nanotuburi. „Este o abordare care nu este folosită în mod convențional în domeniul nostru. … Al lui este un pic mai precis.”

Experții spun că capacitatea de a izola eșantioane pure și uniforme de fullertubes conferă moleculelor mult mai multă atracție decât ar avea-o altfel. Fulerenele pot fi, de asemenea, izolate, dar le lipsesc proprietățile electrice și optice care fac ca tuburile pline și nanotuburile să fie promițătoare ca componente în circuitele electrice sau senzorii pe bază de lumină. Între timp, puritatea rămâne doar un vis pentru cercetătorii de nanotuburi, care lucrează adesea cu un amestec de tuburi de lungimi și diametre aleatorii și chiar tuburi imbricate în tuburi. Deci, ar putea fullertubes să depășească obstacolele care i-au abătut pe verii săi?

Ce sa întâmplat cu Buckyballs?

Într-o 1991 articol din Scientific American, Curl și Smalley au imaginat aplicații revoluționare ale buckminsterfullerenelor, inclusiv supraconductori, electronice și lubrifianți noi, pe bază de carbon. „Versatilitatea vracului C₆₀ pare să crească săptămână de săptămână”, au scris ei.

Au trecut cinci ani. „Nu au fost produse încă aplicații practic utile”, a scris comisia pentru Premiul Nobel în un comunicat de presă din 1996 anunțând că Curl, Kroto și Smalley au câștigat premiul pentru chimie pentru descoperirea buckminsterfullerenelor, „dar nu este de așteptat la șase ani după ce cantitățile macroscopice de fulerene au devenit disponibile”.

Un sfert de secol mai târziu, niciunul dintre produsele sperate inițial nu a ajuns pe piață. Puținele locuri în care ați putea întâlni buckyballs în comerț sunt cosmetice și suplimente alimentare care valorifică potențialul moleculei ca antioxidant. Cu toate acestea, niciunul dintre tipurile de produs nu necesită aprobarea FDA și mai multe studii au arătat semne de toxicitate în bucyballs. (Un studiu pare să susțină beneficiile pentru sănătate, cel puțin în prelungirea duratei de viață a șoarecilor expus la radiații ionizante; altul constată fără beneficii de extindere a vieții la șoareci.)

Michael Crommie, fizician la Universitatea din California, Berkeley, consideră fullerene ca fiind semnificative, în principal, pentru a crea o urmă către alte cristale de carbon. „Pentru că avem buckyballs”, a spus el, „care au dus la nanotuburi și care au dus în cele din urmă la grafen”.

Nanotuburile au avut mai mult succes științific și comercial decât fulerenele. Le puteți ridica de la magazinul de hardware, de unde se găsesc în „nano tape” sau „gecko tape” care utilizează cristalele pentru aderență în același mod în care picioarele șopârlelor folosesc fire de păr microscopice. Nanotuburile sunt extraordinar de puternice, cu potențialul de a depăși cu mult oțelul – cu excepția faptului că nimeni nu a reușit să facă nanotuburi de lungime suficientă pentru cablare ultra-puternică. Cu toate acestea, nanotuburile adaugă rezistență atunci când sunt amestecate în țesături, corpuri de bărci, caroserii de înaltă performanță și rachete de tenis. De asemenea, sunt utilizate pe scară largă pentru filtrarea apei și pentru îmbunătățirea performanței unor baterii.

Dar, în timp ce aceste aplicații implică cantități mari de nanotuburi de diferite lungimi și diametre, mai multe aplicații inovatoare, cum ar fi nanosenzorii de precizie, vor necesita nanotuburi care sunt identice între ele. Doi senzori construiți din nanotuburi diferite, de exemplu, vor răspunde diferit la același stimul. Electronicele au nevoie de componente uniforme pentru a funcționa în moduri previzibile.

„Nu putem izola cu adevărat nanotuburi”, a spus Boghossian. „Poate că persoana care găsește o modalitate ușoară de a izola nanotuburi pure ar putea primi un premiu Nobel”, la fel cum Geim și Novoselov au câștigat premiul pentru fizică nu pentru descoperirea grafenului, ci pentru izolarea acestuia.

Cercetătorilor le place YuHuang Wang la Universitatea din Maryland dezvoltă o modalitate de a tăiați nanotuburi lungi pentru a produce lungimi specifice — o tehnică de sus în jos anevoioasă care începe cu un amestec de nanotuburi și le transformă într-o colecție de secțiuni identice. Alți cercetători încearcă să construiască nanotuburi de jos în sus, atom cu atom, dar această abordare este defectuoasă și costisitoare.

Grafenul, cu foile sale uniforme, cu un singur strat, este locul în care Crommie crede că adevăratul potențial al nanomaterialelor de carbon va fi îndeplinit. Cea mai bună cale către dispozitivele electronice și magnetice pe bază de carbon, în opinia sa, este de a tăia benzile de grafen în forme utile - o tehnică despre care spune că a condus deja la dispozitive electronice complexe în laborator.

Baby Steps pentru Fullertubes

Deci, ce rol, dacă este cazul, ar putea fi ocupat de fullertubes? Deoarece cristalele sunt uniforme și pot fi fie conductori, fie semiconductori, Stevenson și Dorn își imaginează că ar putea fi legate între ele ca Lego-urile de dimensiuni nanometrice pentru a face electronice în miniatură.

Boghossian inserează nanotuburi în celule pentru a studia mediul din interior. Ea se bazează pe fluorescența nanotuburilor: structurile absorb o culoare de lumină și emit alta, iar schimbarea luminii dezvăluie informații despre condițiile celulare. Dar fluorescența depinde de structura nanotuburilor, iar diferențele dintre ele fac semnalele mai greu de interpretat. Cele mai scurte tuburi pline nu au fluorescență, dar cele mai lungi prezintă semne. Dacă chiar și tuburile pline mai lungi fluoresc mai puternic, ar putea fi o binefacere pentru cercetare ca a ei. „Cred că va ajuta foarte mult cu aplicațiile optoelectronice”, a spus ea.

Din 2020, conform unei căutări a publicațiilor academice, fulerenele au fost menționate în aproximativ 22,700 de lucrări. Nanotuburile apar în 93,000. O căutare pe grafen a ajuns la peste 200,000 de citate. Pentru fullertubes, la momentul scrierii acestui articol, numărul total al tuturor timpurilor de publicații relevante este de 94.

Mai mulți cercetători ar putea face saltul la fullertubes în timp, spune Boghossian, dacă studiile dezvăluie proprietăți asemănătoare cu cele ale nanotuburilor, cu avantajul suplimentar al lungimii precise. Totuși, a spus ea, „va fi nevoie de o anumită adaptare, pentru că oamenii au lucrat la nanotuburi [și alte forme de carbon] toată viața.”