"Fullertubes" انضم إلى عائلة بلورات الكربون

يمكن للكربون أن يرتب نفسه في واحدة من أصعب المواد في الطبيعة ، أو في مادة ناعمة جدًا بحيث يقوم الأطفال بتسجيل آثارها على الورق. منذ عدة عقود ، بدأ العلماء يتساءلون: بصرف النظر عن الماس والجرافيت ، ما هي الأشكال البلورية الأخرى التي قد يتخذها الكربون؟

في عام 1985 ، حصلوا على إجابتهم الأولى. اكتشفت مجموعة من الكيميائيين كرات مجوفة صغيرة مكونة من 60 ذرة كربون أطلقوا عليها اسم Buckminsterfullerenes أو كرات بوكي أو الفوليرين باختصار. (كانت البلورات تشبه القباب الجيوديسية ، وقد أشاعها المهندس المعماري R. Buckminster Fuller.) نشأ مجال جديد من الكيمياء حول المجالات التي يبلغ عرضها نانومترًا ، حيث تسابق الباحثون لاكتشاف خصائص وتطبيقات ما يسمى أجمل جزيء.

تم العثور على أكبر الفوليرينات. بعد ذلك ببضع سنوات ، أثارت ورقة أعدها الفيزيائي الياباني سوميو إيجيما اهتمامًا بصيغة كربون ذات صلة ، أُطلق عليها في البداية اسم أنابيب البوكي ولكنها تُعرف الآن باسم الأنابيب النانوية الكربونية: وهي عبارة عن أسطوانات مجوفة مصنوعة من شبكة قرص العسل من ذرات الكربون يتم لفها مثل ورق التواليت. الة النفخ.

تحتوي بلورات الكربون على طيف من الخواص الكهربائية والكيميائية والفيزيائية التي لا يبدو أن أي عنصر آخر يضاهيها. ازدادت الإثارة حول علم النانو الكربوني عندما حصل ثلاثة من مكتشفي كرات بوكي ، روبرت كيرل وهارولد كروتو وريتشارد سمالي ، على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 1996. ثم في عام 2004 ، وجد الفيزيائيان أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف طريقة لعزل الصفائح المسطحة من ذرات الكربون - بلورة تعرف باسم الجرافين - مما أدى إلى انفجار آخر في الأبحاث التي استمرت منذ ذلك الحين ، وحصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2010.

اكتشف الكيميائيون مؤخرًا نوعًا آخر من بلورات الكربون - هذه المرة ، دون ضجة كبيرة. معظم خبراء الكربون الذين تم الاتصال بهم لهذه القصة ما زالوا لم يسمعوا بها. وحتى الآن ، من المحتمل أن يكون العرض العالمي بأكمله يصل إلى ملليغرام ، أي ما يعادل كتلة حفنة من الذباب المنزلي.

تقع أحدث الهياكل الكربونية في مكان ما بين الفوليرينات الكروية والأنابيب النانوية الأسطوانية. إنهما "زواج نانوي" من الاثنين على شكل كبسولة دواء ، وفقًا لـ هاري دورن، عالم كيمياء في معهد فيرجينيا بوليتكنيك وجامعة الولاية الذين يتعاونون مع ستيفن ستيفنسون من جامعة بوردو ، المكتشف الأول للجزيئات. قام ستيفنسون ودورن بتسمية البلورات بالأنابيب الكاملة.

تجمع Fullertubes بين أفضل ميزات الفوليرين والأنابيب النانوية. أو أسوأ من الاثنين. أو ربما القليل من الخير والشر من كل منهما - يعتمد ذلك على من تسأل. كيف أو ما إذا كانت خصائصها ستكون مفيدة يبقى أن نرى. إنه مكان كنا من قبل ، ويمكن القول أنه لا يزال موجودًا ، مع أقارب الكربون المشهورين لأنابيب Fullertubes.

التعدين للأنابيب الكاملة

مركز عالم الأنابيب الكاملة عبارة عن مختبر كيميائي بحجم غرفة المعيشة في حرم جامعة بيردو في فورت واين بولاية إنديانا. هناك ، يقوم ستيفنسون وكادره الصغير من الطلاب الجامعيين بجمع وتصنيف الجزيئات المكتشفة حديثًا ، والتي تتكون من أغطية نصف كروية في نهايات الأسطوانات ذات الأطوال والأطوال المختلفة.

في عام 2020 ، أعلن ستيفنسون والمتعاونون معه عن إصدار أول عضو من عائلة fullertube ، جزيء 90 ذرة والذي يتكون أساسًا من نصفين من كرة بوكي متصلة بواسطة جزء متوسط ​​من أنبوب نانوي مكون من 30 ذرة. وجدوا الجزيء مع شقيقين أكبر مكونين من 96 و 100 ذرة كربون ، على التوالي.

هذا العام ، ستيفنسون ودورن وصف اثنين من الأنابيب الكاملة، كلاهما يتكون من 120 ذرة كربون. تظهر دراساتهم أن أضيق هذه الجزيئات على شكل حبوب موصلة للكهرباء ، في حين أن الجزيئات الأوسع والأقصر - بشكل مثير للاهتمام - هي أشباه الموصلات ، مما يعني أنه من المحتمل استخدامها للترانزستورات والأجهزة الإلكترونية الأخرى. تمتلك Fullertubes أيضًا مجموعة من الخصائص البصرية وخواص الشد التي لا يزال الباحثون يستكشفونها.

جيمس هيث من معهد بيولوجيا الأنظمة في سياتل ، الذي ساعد في عزل أول فوليرين عندما كان طالب دراسات عليا يعمل مع Curl and Smalley في عام 1985 ، أطلق على الأنابيب الكاملة الجديدة "الهياكل الجميلة" التي تتبع نفس القاعدة الهندسية التي قادته هو وزملاؤه إلى ابحث عن الفوليرين في المقام الأول: القاعدة التي تنص على أن 12 خماسيًا وعددًا زوجيًا من الأشكال السداسية يمكن أن يشكلوا غلافًا مغلقًا. (على سبيل المثال ، تمتلك كرات بوكي نفس نمط الأشكال السداسية والخماسية مثل كرة القدم. تحافظ الأنابيب الكاملة على القاعدة مع إضافة أحزمة إضافية من السداسيات).

كانت الجزيئات تحت أنوف الكيميائيين لسنوات ، مختبئة في نفس السخام الكربوني الخاص الذي كان منذ فترة طويلة المصدر الأساسي للفوليرين. ولكن في عام 2020 ، اكتشف ستيفنسون أخيرًا كيفية اختيار الكبسولات الأنبوبية من بين الفوليرينات الأكثر وفرة. العملية "السحرية" ، كما يسميها ، هي "رد فعل أي شيء كروي بعيدًا. لذلك نفصل الكرات عن الأنابيب ".

يتم صنع السخام الخاص عادةً عن طريق تبخير الكربون من قضبان الجرافيت داخل غرفة. عندما يبرد بخار الكربون على جدران الغرفة ، يتكثف الكثير منه إلى فوليرينات ، ولكن تتشكل أيضًا أنابيب كاملة نادرة ، متناثرة مثل الأحجار الكريمة في جبل من الخبث. تعتمد خدعة ستيفنسون السحرية على جزيئات قابلة للذوبان في الماء تعرف باسم الأمينات. تنجذب هذه إلى الأماكن التي ترتبط فيها الترتيبات السداسية لذرات الكربون بترتيبات خماسية - التقاطعات التي تظهر في جميع أنحاء الفوليرينات. من ناحية أخرى ، فإن الأنابيب النانوية غير جذابة للأمينات لأنها تحتوي فقط على أشكال سداسية ، والأنابيب الكاملة محمية جزئيًا من الأمينات بواسطة أقسام الأنابيب النانوية. لذلك ، بينما ترتبط الأمينات بالفوليرين ، مما يجعلها قابلة للذوبان في الماء ، تظل الأنابيب المملوءة غير المتفاعلة غير قابلة للذوبان ؛ يمكن لستيفنسون ببساطة شطف الفوليرين بعيدًا ، تاركًا الأنابيب الكاملة خلفه.

ثم يدير عيناته المخصبة بالأنابيب الكاملة من خلال آلات تفصل الجزيئات بناءً على كتلتها والاختلافات الكيميائية الدقيقة ، مما ينتج عنه مجموعات نقية من الأنابيب الكاملة ذات كتل وأشكال وخصائص موحدة.

قال الكيميائي: "نهج ستيف هو بالتأكيد شيء رائع للغاية" أرديميس بوغوصيان من مدرسة Polytechnique Fédérale de Lausanne في سويسرا ، والتي تعمل مع الأنابيب النانوية. "إنه نهج غير مستخدم تقليديًا في مجالنا. ... هو أكثر دقة بقليل. "

يقول الخبراء إن القدرة على عزل عينات نقية وموحدة من الأنابيب الكاملة تمنح الجزيئات جاذبية أكبر بكثير مما كانت ستحصل عليه بخلاف ذلك. يمكن أيضًا عزل الفوليرينات ، لكنها تفتقر إلى الخصائص الكهربائية والبصرية التي تجعل الأنابيب الكاملة والأنابيب النانوية واعدة كمكونات في الدوائر الكهربائية أو المستشعرات القائمة على الضوء. وفي الوقت نفسه ، يظل النقاء مجرد حلم لباحثي الأنابيب النانوية ، الذين غالبًا ما يعملون مع خليط من الأنابيب ذات الأطوال والأقطار العشوائية ، وحتى الأنابيب المتداخلة داخل الأنابيب. فهل يمكن للأنابيب الكاملة أن تتغلب على العقبات التي أعاقت أبناء عمومتها؟

ماذا حدث لباكي بولز؟

في 1991 المقالة في العلمي الأميركي، تخيل Curl و Smalley تطبيقات ثورية لمركبات Buckminsterfullerenes ، بما في ذلك الموصلات الفائقة الجديدة القائمة على الكربون والإلكترونيات ومواد التشحيم. "براعة السائبة C₆₀ يبدو أنه ينمو أسبوعًا بعد أسبوع.

مرت خمس سنوات. كتبت لجنة جائزة نوبل في القاهرة: "لم يتم إنتاج أي تطبيقات مفيدة عمليًا حتى الآن" نشرة صحفية عام 1996 معلنين أن Curl و Kroto و Smalley قد فازوا بجائزة الكيمياء لاكتشافهم Buckminsterfullerenes ، "لكن هذا لا يُتوقع بعد ست سنوات من توفر الكميات المجهرية من الفوليرين".

بعد ربع قرن ، لم يتم طرح أي من المنتجات المأمولة في البداية في الأسواق. الأماكن القليلة التي قد تصادف فيها كرات بوكي تجارياً هي مستحضرات التجميل والمكملات الغذائية التي تروج لإمكانات الجزيء كمضاد للأكسدة. لا يتطلب أي من المنتجين موافقة إدارة الغذاء والدواء ، ومع ذلك ، فقد أظهرت العديد من الدراسات علامات السمية في كرات بوكي. (يبدو أن إحدى الدراسات تدعم الفوائد الصحية ، على الأقل في إطالة فترات حياة الفئران تتعرض للإشعاع المؤين؛ يجد آخر لا توجد فوائد لإطالة العمر في الفئران.)

يرى مايكل كرومي ، الفيزيائي بجامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، أن الفوليرينات مهمة بشكل أساسي لتشكيل مسار لبلورات الكربون الأخرى. قال: "لأننا حصلنا على كرات بوكي ، فقد أدى ذلك إلى إنتاج الأنابيب النانوية ، وأدى ذلك في النهاية إلى الجرافين."

حققت الأنابيب النانوية نجاحًا علميًا وتجاريًا أكثر من الفوليرينات. يمكنك الحصول عليها من متجر الأجهزة ، حيث يتم العثور عليها في "شريط نانو" أو "شريط أبو بريص" الذي يستخدم البلورات للالتصاق بنفس الطريقة التي تستخدم بها أقدام السحالي الشعر المجهري. تتميز الأنابيب النانوية بأنها قوية بشكل غير عادي ، مع إمكانية أن تتفوق كثيرًا على الفولاذ - باستثناء أنه لم ينجح أحد في تصنيع أنابيب نانوية بطول كافٍ للكابلات فائقة القوة. ومع ذلك ، تضيف الأنابيب النانوية القوة عند مزجها مع القماش ، وهيكل القوارب ، وأجسام السيارات عالية الأداء ومضارب التنس. كما أنها تستخدم على نطاق واسع في تنقية المياه ولتعزيز أداء بعض البطاريات.

ولكن في حين أن هذه التطبيقات تتضمن كميات كبيرة من الأنابيب النانوية بأطوال وأقطار مختلفة ، فإن المزيد من التطبيقات الرائدة مثل أجهزة الاستشعار الدقيقة تتطلب أنابيب نانوية متطابقة مع بعضها البعض. على سبيل المثال ، سوف يستجيب مستشعران تم إنشاؤهما من أنابيب نانوية مختلفة بشكل مختلف لنفس المنبه. تحتاج الإلكترونيات إلى مكونات موحدة لكي تعمل بطرق يمكن التنبؤ بها.

قال بوغوصيان: "لا يمكننا حقًا عزل الأنابيب النانوية". "ربما يحصل الشخص الذي يجد طريقة سهلة لعزل الأنابيب النانوية النقية على جائزة نوبل ،" مثلما فاز جيم ونوفوسيلوف بجائزة الفيزياء ليس لاكتشاف الجرافين ، ولكن لعزله.

الباحثون مثل يوهوانغ وانغ في جامعة ماريلاند يطورون طريقة ل قص الأنابيب النانوية الطويلة لإنتاج أطوال محددة - تقنية شاقة من أعلى إلى أسفل تبدأ بمزيج من الأنابيب النانوية وتحولها إلى مجموعة من الأقسام المتطابقة. يحاول باحثون آخرون بناء أنابيب نانوية من الأسفل إلى الأعلى ، ذرة تلو ذرة ، لكن هذا النهج خاطئ ومكلف.

الجرافين ، بصفائحه الموحدة أحادية الطبقة ، هو المكان الذي يعتقد كرومي أن الإمكانات الحقيقية للمواد النانوية الكربونية ستتحقق. إن أفضل طريق للأجهزة الإلكترونية والمغناطيسية القائمة على الكربون ، من وجهة نظره ، هو تقليم شرائط الجرافين إلى أشكال مفيدة - وهي تقنية يقول إنها أدت بالفعل إلى أجهزة إلكترونية معقدة في المختبر.

خطوات الطفل للأنابيب الكاملة

إذن ما هو الدور ، إن وجد ، الذي يمكن أن يشغله Fullertubes؟ نظرًا لأن البلورات موحدة ويمكن أن تكون إما موصلات أو أشباه موصلات ، يتخيل ستيفنسون ودورن أنه من المحتمل أن يتم ربطهما معًا مثل ليغو بحجم النانو لصنع إلكترونيات مصغرة.

يقوم بوغوصيان بإدخال الأنابيب النانوية في الخلايا لدراسة البيئة في الداخل. تعتمد على تألق الأنابيب النانوية: تمتص الهياكل لونًا واحدًا من الضوء وتصدر لونًا آخر ، ويكشف تغيير الضوء عن معلومات حول الظروف الخلوية. لكن التألق يعتمد على بنية الأنابيب النانوية ، والاختلافات بينها تجعل الإشارات أكثر صعوبة في تفسيرها. أقصر أنابيب ممتلئة لا تتألق ، لكن الأطول منها تظهر عليها علامات. إذا كانت الأنابيب الممتلئة الأطول تتألق بقوة أكبر ، فقد تكون نعمة للبحث مثلها. قالت "أعتقد أنه سيساعد كثيرًا في تطبيقات الإلكترونيات الضوئية".

منذ عام 2020 ، وفقًا للبحث في المنشورات الأكاديمية ، تم ذكر الفوليرين في حوالي 22,700 بحث. تظهر الأنابيب النانوية في 93,000. يُظهر البحث عن الجرافين أكثر من 200,000 اقتباس. بالنسبة للأنابيب الكاملة ، حتى كتابة هذه السطور ، فإن العدد الإجمالي للمنشورات ذات الصلة على الإطلاق هو 94.

يقول بوغوصيان إن المزيد من الباحثين قد يقفزون إلى الأنابيب الكاملة بمرور الوقت ، إذا كشفت الدراسات عن خصائص تشبه تلك الموجودة في الأنابيب النانوية ، مع فائدة إضافية تتمثل في الأطوال الدقيقة. ومع ذلك ، قالت ، "سيستغرق الأمر بعض التكيف ، لأن الناس كانوا يعملون على الأنابيب النانوية [وأشكال الكربون الأخرى] طوال حياتهم."