'Fullertubes' Slut dig til familien af ​​kulstofkrystaller

Kulstof kan indrette sig i et af de hårdeste materialer i naturen eller til et så blødt, at børn indskriver spor af det på papir. For adskillige årtier siden begyndte videnskabsmænd at spekulere på: Bortset fra diamant og grafit, hvilke andre krystallinske former kan kulstof antage?

I 1985 fik de deres første svar. En gruppe kemikere opdagede små hule kugler konstrueret af 60 kulstofatomer, som de kaldte buckminsterfullerenes, eller buckyballs eller fullerener for korte. (Krystallerne lignede geodætiske kupler, populariseret af arkitekten R. Buckminster Fuller.) Et nyt felt inden for kemi opstod omkring de nanometer-brede sfærer, da forskere løb for at opdage egenskaber og anvendelser af det, der er blevet kaldt det smukkeste molekyle.

Større fullerener blev fundet. Så, et par år senere, vakte et papir af den japanske fysiker Sumio Iijima interesse for en beslægtet kulstofform, oprindeligt kaldet buckytubes, men nu kendt som kulstofnanorør: hule cylindre lavet af et honeycomb-gitter af kulstofatomer, der er rullet sammen som et toiletpapir rør.

Kulstofkrystallerne havde et spektrum af elektriske, kemiske og fysiske egenskaber, som intet andet grundstof syntes at matche. Spændingen omkring kulstof nanovidenskab blev skruet endnu højere, da tre af opdagerne af buckyballs, Robert Curl, Harold Kroto og Richard Smalley, modtog Nobelprisen i kemi i 1996. Så i 2004 fandt fysikerne Andre Geim og Konstantin Novoselov en måde at isolere flade plader af kulstofatomer - en krystal kendt som grafen - og antændte endnu en eksplosion af forskning, der har holdt sig selv lige siden, og tjente sig selv til 2010 fysik Nobel.

For nylig opdagede kemikere endnu en type kulstofkrystal - denne gang til meget mindre fanfare. De fleste af de kulstofeksperter, der blev kontaktet for denne historie, havde stadig ikke hørt om den. Og indtil videre er hele det globale udbud formentlig på milligram, omkring massen af ​​en håndfuld husfluer.

Disse nyeste kulstofstrukturer falder et sted mellem sfæriske fullerener og cylindriske nanorør; de er "et nanoskala ægteskab" af de to, der er formet som en medicinkapsel, ifølge Harry Dorn, en kemiker ved Virginia Polytechnic Institute og State University, som samarbejder med Steven Stevenson fra Purdue University, den første opdager af molekylerne. Stevenson og Dorn har navngivet krystallerne fullertubes.

Fullertubes kombinerer de bedste egenskaber fra fullerener og nanorør. Eller det værste af begge. Eller måske lidt af det gode og dårlige fra hver - det afhænger af, hvem du spørger. Hvordan eller om deres egenskaber vil være nyttige, skal endnu ses. Det er et sted, vi har været før, og formentlig stadig er, med Fullertubes' berømte kulstofslægtninge.

Minedrift for Fullertubes

Centrum af fullertube-verdenen er et kemilaboratorium på størrelse med en stue på Purdues Fort Wayne, Indiana, campus. Der samler og taxonomiserer Stevenson og hans lille kadre af studerende de nyfundne molekyler, som består af halvkugleformede hætter på enderne af cylindre af forskellig bredde og længde.

I 2020 annoncerede Stevenson og samarbejdspartnere første medlem af fullertube-familien, et 90-atom molekyle, der i det væsentlige er to halvdele af en buckyball forbundet med en 30-atom nanorør midtsektion. De fandt molekylet sammen med to større søskende lavet af henholdsvis 96 og 100 kulstofatomer.

I år, Stevenson og Dorn beskrev yderligere to fullertubes, begge bestående af 120 carbonatomer. Deres undersøgelser viser, at den smallere af disse pilleformede molekyler er elektrisk ledende, mens den bredere, kortere er - spændende nok - en halvleder, hvilket betyder, at den potentielt kan bruges til transistorer og andre elektroniske enheder. Fullertubes har også en række optiske og trækegenskaber, som forskerne stadig undersøger.

James Heath fra Institute for Systems Biology i Seattle, som hjalp med at isolere de første fullerener som kandidatstuderende, der arbejdede med Curl og Smalley i 1985, kaldte de nye fullerrør for "dejlige strukturer", der følger den samme geometriske regel, som førte ham og hans kolleger til søg efter fullerener i første omgang: reglen om, at 12 femkanter og et lige antal sekskanter kan danne en lukket skal. (Buckyballs, for eksempel, har det samme mønster af sekskanter og femkanter som en fodbold. Fullertubes opretholder reglen, mens de tilføjer ekstra bælter af sekskanter.)

Molekylerne har været under kemikernes næser i årevis og gemt sig i den samme specielle kulstofsod, som længe har været den primære kilde til fullerener. Men i 2020 fandt Stevenson endelig ud af, hvordan man udvælger de rørformede kapsler blandt de meget mere rigelige fullerener. Den "magiske" proces, som han kalder det, er at "reagere alt sfærisk væk. Så vi adskiller bolde fra rør."

Den specielle sod fremstilles typisk ved at fordampe kulstof af grafitstænger inde i et kammer. Efterhånden som kulstofdampen afkøles på kammervæggene, kondenserer meget af den til fullerener, men der dannes også sjældne fullerrør, drysset som ædelstene i et slaggebjerg. Stevensons magiske trick er afhængig af vandopløselige molekyler kendt som aminer. Disse tiltrækkes af steder, hvor sekskantede arrangementer af carbonatomer knytter sig til femkantede arrangementer - skæringspunkter, der vises over hele fullerener. Nanorør er på den anden side uattraktive for aminer, fordi de kun har sekskanter, og fullerrør er delvist beskyttet mod aminer af deres nanorørmidter. Så mens aminer binder til fullerener, hvilket gør dem opløselige i vand, forbliver uomsatte fullerrør uopløselige; Stevenson kan simpelthen skylle fullerenerne væk og efterlade fullertubes.

Han kører derefter sine fullertube-berigede prøver gennem maskiner, der adskiller molekylerne baseret på deres masse og subtile kemiske forskelle, hvilket giver rene samlinger af fullerrør med ensartede masser, former og egenskaber.

"Steves tilgang er bestemt noget, der er ret fascinerende," sagde kemikeren Ardemis Boghossian fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Schweiz, som arbejder med nanorør. ”Det er en tilgang, der ikke konventionelt bruges inden for vores felt. ... Hans er lidt mere præcis."

Eksperter siger, at evnen til at isolere rene, ensartede prøver af fullerrør giver molekylerne langt mere tiltrækningskraft, end de ellers ville have haft. Fullerener kan også isoleres, men de mangler de elektriske og optiske egenskaber, der gør fullerrør og nanorør lovende som komponenter i elektriske kredsløb eller lysbaserede sensorer. I mellemtiden forbliver renhed kun en drøm for nanorørforskere, som ofte arbejder med et virvar af rør af tilfældige længder og diametre, og endda indlejrede rør i rør. Så kunne fullertubes overvinde de forhindringer, der har lagt vejen for dets fætre?

Hvad skete der med Buckyballs?

I en 1991 artikel i Scientific American, Curl og Smalley forestillede sig revolutionerende anvendelser af buckminsterfullerener, herunder nye, kulstofbaserede superledere, elektronik og smøremidler. "Alsidigheden af ​​bulk C₆₀ ser ud til at vokse uge for uge,” skrev de.

Fem år gik. "Ingen praktisk brugbare applikationer er endnu blevet fremstillet," skrev Nobelpriskomiteen i en pressemeddelelse fra 1996 annoncerede, at Curl, Kroto og Smalley havde vundet kemiprisen for at opdage buckminsterfullerener, "men dette kan ikke forventes så tidligt som seks år efter makroskopiske mængder af fullerener blev tilgængelige."

Et kvart århundrede senere er ingen af ​​de oprindeligt håbede produkter kommet på markedet. De få steder, hvor du kan støde på buckyballs kommercielt, er kosmetik og kosttilskud, der fremhæver molekylets potentiale som antioxidant. Ingen af ​​produkttyperne kræver dog FDA-godkendelse, og flere undersøgelser har vist tegn på toksicitet i buckyballs. (En undersøgelse synes at understøtte de sundhedsmæssige fordele, i det mindste ved at forlænge levetiden for mus udsat for ioniserende stråling; en anden finder ingen livsforlængende fordele hos mus.)

Michael Crommie, en fysiker ved University of California, Berkeley, ser fullerener som væsentlige hovedsageligt for at skabe et spor til andre kulstofkrystaller. "Fordi vi fik buckyballs," sagde han, "der førte til nanorør, og det førte til sidst til grafen."

Nanorør har haft mere videnskabelig og kommerciel succes end fullerener. Du kan hente dem i isenkræmmeren, hvor de findes i "nano tape" eller "gecko tape", der bruger krystallerne til vedhæftning på nogenlunde samme måde, som firbens fødder bruger mikroskopiske hår. Nanorør er ekstraordinært stærke, med potentiale til at klare sig langt bedre end stål - bortset fra at ingen har formået at lave nanorør af tilstrækkelig længde til ultrastærk kabling. Alligevel tilføjer nanorør styrke, når de blandes i stof, bådskrog, højtydende bilkarosserier og tennisketchere. De er også meget brugt til vandfiltrering og til at forbedre ydeevnen af ​​nogle batterier.

Men mens disse applikationer involverer bulkmængder af nanorør af forskellige længder og diametre, vil mere banebrydende applikationer såsom præcisionsnanosensorer kræve nanorør, der er identiske med hinanden. To sensorer bygget af forskellige nanorør vil for eksempel reagere forskelligt på den samme stimulus. Elektronik har brug for ensartede komponenter for at fungere på forudsigelige måder.

"Vi kan ikke rigtig isolere nanorør," sagde Boghossian. "Måske kan den person, der finder en nem måde at isolere rene nanorør, få en Nobelpris," ligesom Geim og Novoselov vandt fysikprisen ikke for at opdage grafen, men for at isolere det.

Forskere kan lide YuHuang Wang ved University of Maryland er ved at udvikle en måde at klip lange nanorør at producere specifikke længder - en besværlig top-down-teknik, der starter med en blanding af nanorør og forvandler dem til en samling af identiske sektioner. Andre forskere forsøger at konstruere nanorør fra bunden og op, atom for atom, men denne tilgang er fejlagtig og dyr.

Grafen, med dets ensartede enkeltlagsark, er det sted, hvor Crommie mener, at det sande potentiale for kulstofnanomaterialer vil blive opfyldt. Den bedste vej til kulstofbaserede elektroniske og magnetiske enheder er efter hans mening at trimme grafenbånd til nyttige former - en teknik, som han siger, allerede har ført til komplekse elektroniske enheder i laboratoriet.

Babytrin til Fullertubes

Så hvilken rolle, hvis nogen, kan fyldes af fullertubes? Fordi krystallerne er ensartede og kan være enten ledere eller halvledere, forestiller Stevenson og Dorn sig, at de potentielt kan kædes sammen som Legos i nanostørrelse for at lave miniatureelektronik.

Boghossian indsætter nanorør i celler for at studere miljøet indeni. Hun er afhængig af nanorørsfluorescens: Strukturerne absorberer en farve af lys og udsender en anden, og lysændringen afslører information om cellulære forhold. Men fluorescensen afhænger af strukturen af ​​nanorørene, og forskelle mellem dem gør signaler sværere at fortolke. De korteste fulderør fluorescerer ikke, men de længere viser tegn på det. Hvis endnu længere fulderør fluorescerer stærkere, kan de være en velsignelse for forskning som hendes. "Jeg tror, ​​det vil hjælpe meget med de optoelektroniske applikationer," sagde hun.

Siden 2020 er fullerener ifølge en søgning i akademiske publikationer blevet nævnt i omkring 22,700 artikler. Nanorør vises i 93,000. En søgning på grafen viser over 200,000 citater. For fullertubes er det samlede antal relevante publikationer i skrivende stund 94.

Flere forskere kan tage springet til fulderør over tid, siger Boghossian, hvis undersøgelser afslører egenskaber, der ligner nanorørs, med den ekstra fordel af præcise længder. Alligevel sagde hun, "det vil kræve lidt tilpasning, fordi folk har arbejdet på nanorør [og andre kulstofformer] hele deres liv."