Ученые нашли простой способ создания гибких алмазов

Твердые, как алмаз, и гибкие, как пластик, алмазные нанонити, пользующиеся большим спросом, были бы готовы произвести революцию в нашем мире, если бы их не было так сложно изготовить.

Недавно группа ученых во главе с Сэмюэлем Даннингом и Тимоти Стробелем из Университета Карнеги разработала оригинальную методику, которая предсказывает и направляет упорядоченное создание прочных, но гибких алмазных нанонитей, преодолевая несколько существующих проблем.

Инновация облегчит ученым процесс синтеза нанонитей — важный шаг к применению материала для решения практических задач в будущем.

Работа была недавно опубликована в Журнале Американского химического общества.

Алмазные нанонити представляют собой ультратонкие одномерные углеродные цепочки, в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса.

Они часто создаются путем сжатия меньших колец на основе углерода вместе, чтобы сформировать тот же тип связи, который делает алмазы самым твердым минералом на нашей планете.

Однако вместо трехмерной углеродной решетки, характерной для обычного алмаза, края этих нитей «закрыты» углеродно-водородными связями, которые делают всю структуру гибкой.

Даннинг объясняет: «Поскольку нанонити имеют эти связи только в одном направлении, они могут изгибаться и изгибаться так, как не могут обычные алмазы».

Ученые предсказывают, что уникальные свойства углеродных нанонитей будут иметь множество полезных применений: от создания научно-фантастических лесов на космических лифтах до создания сверхпрочных тканей.

Тем не менее, ученым было трудно создать достаточно материала нанонити, чтобы на самом деле проверить их предполагаемые сверхспособности.

«Если мы хотим разработать материалы для конкретных применений, — говорит Даннинг, — нам важно точно понимать структуру и сцепление нанонитей, которые мы делаем. Этот метод направления нити действительно позволяет нам это сделать!»

Одна из самых больших проблем — заставить атомы углерода реагировать предсказуемым образом. В нанонитях из бензола и других шестиатомных колец каждый атом углерода может вступать в химические реакции с разными соседями.

Это приводит к множеству возможных реакций, конкурирующих друг с другом, и множеству различных конфигураций нанонитей. Эта неопределенность является одним из самых больших препятствий, с которыми сталкиваются ученые при синтезе нанонитей, где можно определить точную химическую структуру.

Команда Даннинга определила, что добавление азота в кольцо вместо углерода может помочь направить реакцию по предсказуемому пути.

Они решили начать свою работу с пиридазина — шестиатомного кольца, состоящего из четырех атомов углерода и двух атомов азота — и начали работу над компьютерной моделью. Даннинг работал с Бо Ченом из Международного физического центра Доностии и Ли Чжу, доцентом Rutgers and Carnegie Alum, над моделированием поведения молекул пиридазина при высоком давлении.

«В нашей системе мы используем два атома азота, чтобы удалить два возможных реакционных центра из кольцевой системы. Это резко снижает количество возможных реакций», — говорит Даннинг.

После запуска нескольких компьютерных симуляций, показывающих успешное формирование нанонити при высоком давлении, они были готовы перенести эксперимент в лабораторию.

Команда взяла каплю пиридазина и поместила ее в ячейку с алмазной наковальней — устройство, которое позволяет ученым создавать экстремальные давления путем сжатия образцов между крошечными кончиками более традиционных алмазов.

Используя инфракрасную спектроскопию и рентгеновскую дифракцию, они наблюдали за изменениями в химической структуре пиридазина примерно в 300 000 раз выше нормального атмосферного давления в поисках образования новых связей.

Когда они увидели формирование связей, они поняли, что успешно предсказали и создали первую пиридазиновую алмазную нанонить в лаборатории.

«Наш путь реакции производит невероятно упорядоченную нанонить», — сказал Даннинг. «Возможность включать другие атомы в основу нанонити, управлять реакцией и понимать химическую среду нанонити сэкономит исследователям бесценное время при разработке технологии нанонити».

Этот процесс использования этих неуглеродных атомов для управления формированием нанонитей, который Даннинг называет «управлением нитями», является важным шагом на пути к будущему, когда ученые смогут предсказуемо создавать эти материалы и использовать их для передовых приложений. Теперь, когда эта синтетическая стратегия была открыта, Даннинг планирует идентифицировать и протестировать множество возможных предшественников нанонити.

Ему также не терпится начать испытывать пиридазиновые нанонити.

Даннинг заключил: «Теперь, когда мы знаем, что можем сделать этот материал, нам нужно начать делать достаточно, чтобы узнать достаточно, чтобы определить механические, оптические и электронные свойства!»