Introduksjon
Karbon kan ordne seg til et av de hardeste materialene i naturen, eller til et så mykt at barn skriver inn spor av det på papir. For flere tiår siden begynte forskere å lure på: Bortsett fra diamant og grafitt, hvilke andre krystallinske former kan karbon ta?
I 1985 fikk de sitt første svar. En gruppe kjemikere oppdaget små hule kuler konstruert av 60 karbonatomer som de kalte buckminsterfullerenes, eller buckyballs eller fullerener for korte. (Krystallene lignet geodesiske kupler, popularisert av arkitekten R. Buckminster Fuller.) Et nytt felt innen kjemi dukket opp rundt de nanometer-brede kulene, da forskere løp for å oppdage egenskaper og anvendelser av det som har blitt kalt det vakreste molekylet.
Større fullerener ble funnet. Så, noen år senere, vekket et papir av den japanske fysikeren Sumio Iijima interesse for en beslektet karbonform, opprinnelig kalt buckytubes, men nå kjent som karbon-nanorør: hule sylindre laget av et honeycomb-gitter av karbonatomer som er rullet sammen som et toalettpapir. rør.
Karbonkrystallene hadde et spekter av elektriske, kjemiske og fysiske egenskaper som ingen andre grunnstoffer så ut til å matche. Spenningen rundt karbon-nanovitenskap ble skrudd enda høyere da tre av oppdagerne av buckyballs, Robert Curl, Harold Kroto og Richard Smalley, mottok Nobelprisen i kjemi i 1996. Så i 2004 fant fysikerne Andre Geim og Konstantin Novoselov en måte å isolere flate ark av karbonatomer - en krystall kjent som grafen - og antente nok en eksplosjon av forskning som har holdt seg selv siden, og tjente seg til fysikknobelen i 2010.
Nylig oppdaget kjemikere enda en type karbonkrystall - denne gangen, til mye mindre fanfare. De fleste av karbonekspertene som ble kontaktet for denne historien, hadde fortsatt ikke hørt om den. Og så langt utgjør trolig hele den globale forsyningen milligram, omtrent massen av en håndfull husfluer.
Introduksjon
Disse nyeste karbonstrukturene faller et sted mellom sfæriske fullerener og sylindriske nanorør; de er "et nanoskala ekteskap" av de to som er formet som en medisinkapsel, ifølge Harry Dorn, en kjemiker ved Virginia Polytechnic Institute og State University som samarbeider med Steven Stevenson fra Purdue University, den første oppdageren av molekylene. Stevenson og Dorn har kalt krystallene fullertubes.
Fullertubes kombinerer de beste egenskapene til fullerener og nanorør. Eller det verste av begge. Eller kanskje litt av det gode og dårlige fra hver - det kommer an på hvem du spør. Hvordan eller om egenskapene deres vil være nyttige gjenstår å se. Det er et sted vi har vært før, og uten tvil fortsatt er, med fullertubes berømte karbon-slektninger.
Gruvedrift for Fullertubes
Sentrum av fullertube-verdenen er et kjemisk laboratorium på størrelse med en stue på Purdues Fort Wayne, Indiana, campus. Der samler og taksonomiserer Stevenson og hans lille kadre av studenter de nyfunne molekylene, som består av halvkuleformede hetter på endene av sylindre med forskjellige bredder og lengder.
I 2020 kunngjorde Stevenson og samarbeidspartnere første medlem av fullertube-familien, et 90-atoms molekyl som i hovedsak er to halvdeler av en buckyball forbundet med en 30-atoms nanorør-midtseksjon. De fant molekylet sammen med to større søsken laget av henholdsvis 96 og 100 karbonatomer.
I år, Stevenson og Dorn beskrev ytterligere to fullertubes, begge bestående av 120 karbonatomer. Studiene deres viser at de smalere av disse pilleformede molekylene er elektrisk ledende, mens den bredere, kortere er - interessant nok - en halvleder, noe som betyr at den potensielt kan brukes til transistorer og andre elektroniske enheter. Fullertubes har også en rekke optiske og strekkegenskaper som forskerne fortsatt utforsker.
Introduksjon
James Heath fra Institute for Systems Biology i Seattle, som hjalp til med å isolere de første fullerenene som en doktorgradsstudent som jobbet med Curl og Smalley i 1985, kalte de nye fullerørene "nydelige strukturer" som følger den samme geometriske regelen som førte til at han og kollegene hans søk etter fullerener i utgangspunktet: regelen om at 12 femkanter og et jevnt antall sekskanter kan danne et lukket skall. (Buckyballs, for eksempel, har det samme mønsteret av sekskanter og femkanter som en fotball. Fullertubes opprettholder regelen mens de legger til ekstra belter med sekskanter.)
Molekylene har vært under kjemikernes nese i årevis, og gjemt seg i den samme spesielle karbonsoten som lenge har vært den primære kilden til fullerener. Men i 2020 fant Stevenson endelig ut hvordan han skulle velge ut de rørformede kapslene blant de mye mer tallrike fullerenene. Den «magiske» prosessen, som han kaller det, er å «reagere bort alt sfærisk. Så vi skiller baller fra rør."
Den spesielle soten lages vanligvis ved å fordampe karbon av grafittstaver inne i et kammer. Når karbondampen avkjøles på kammerveggene, kondenserer mye av den til fullerener, men det dannes også sjeldne fullerrør, drysset som edelstener i et fjell av slagg. Stevensons magiske triks er avhengig av vannløselige molekyler kjent som aminer. Disse tiltrekkes av steder der sekskantede arrangementer av karbonatomer fester seg til femkantede arrangementer - skjæringspunkter som vises over hele fullerener. Nanorør, på den annen side, er lite attraktive for aminer fordi de bare har sekskanter, og fullerør er delvis beskyttet mot aminer av nanorørets midtdeler. Så mens aminer binder seg til fullerener, og gjør dem oppløselige i vann, forblir ureagerte fullerrør uoppløselige; Stevenson kan ganske enkelt skylle fullerenene bort, og etterlate fullertuber.
Deretter kjører han sine fullertube-anrikede prøver gjennom maskiner som skiller molekylene basert på deres masse og subtile kjemiske forskjeller, og gir rene samlinger av fullerrør med ensartede masser, former og egenskaper.
Introduksjon
"Steves tilnærming er definitivt noe som er ganske fascinerende," sa kjemikeren Ardemis Boghossian ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Sveits, som jobber med nanorør. "Det er en tilnærming som ikke er konvensjonelt brukt i vårt felt. … Hans er litt mer presis.»
Eksperter sier at evnen til å isolere rene, ensartede prøver av fullerrør gir molekylene langt mer lokke enn de ellers ville ha gjort. Fullerener kan også isoleres, men de mangler de elektriske og optiske egenskapene som gjør fullerrør og nanorør lovende som komponenter i elektriske kretser eller lysbaserte sensorer. I mellomtiden forblir renhet bare en drøm for nanorørforskere, som ofte jobber med et virvar av rør av tilfeldige lengder og diametre, og til og med nestede rør i rør. Så kunne fullertubes overvinne hindringene som har lagt sine kusiner?
Hva skjedde med Buckyballs?
I en 1991 artikkel i Scientific American, Curl og Smalley forestilte seg revolusjonerende anvendelser av buckminsterfullerener, inkludert nye, karbonbaserte superledere, elektronikk og smøremidler. "Allsidigheten til bulk C60 ser ut til å vokse uke for uke», skrev de.
Fem år gikk. "Ingen praktisk nyttige søknader er ennå produsert," skrev Nobelpriskomiteen i en pressemelding fra 1996 kunngjorde at Curl, Kroto og Smalley hadde vunnet kjemiprisen for å oppdage buckminsterfullerenes, "men dette er ikke å forvente så tidlig som seks år etter at makroskopiske mengder fullerener ble tilgjengelig."
Et kvart århundre senere har ingen av de opprinnelig håpet på produktene kommet på markedet. De få stedene du kan støte på buckyballs kommersielt er kosmetikk og kosttilskudd som viser molekylets potensial som en antioksidant. Ingen av produkttypene krever FDA-godkjenning, og flere studier har vist tegn på toksisitet i buckyballs. (En studie ser ut til å støtte helsefordelene, i det minste ved å forlenge levetiden til mus utsatt for ioniserende stråling; en annen finner ingen livsforlengende fordeler hos mus.)
Michael Crommie, en fysiker ved University of California, Berkeley, ser fullerener som viktige hovedsakelig for å smi et spor til andre karbonkrystaller. "Fordi vi fikk buckyballs," sa han, "som førte til nanorør, og som til slutt førte til grafen."
Nanorør har hatt mer vitenskapelig og kommersiell suksess enn fullerener. Du kan hente dem i jernvarehandelen, hvor de finnes i "nano tape" eller "gecko tape" som bruker krystallene for vedheft på omtrent samme måte som øglers føtter bruker mikroskopiske hår. Nanorør er usedvanlig sterke, med potensial til å overgå stål langt - bortsett fra at ingen har klart å lage nanorør av tilstrekkelig lengde for ultrasterk kabling. Likevel gir nanorør styrke når de blandes inn i stoff, båtskrog, høyytelses bilkarosserier og tennisracketer. De er også mye brukt til vannfiltrering og for å forbedre ytelsen til enkelte batterier.
Men mens disse applikasjonene involverer bulkmengder av nanorør av forskjellige lengder og diametre, vil mer banebrytende applikasjoner som presisjonsnanosensorer kreve nanorør som er identiske med hverandre. To sensorer bygget fra forskjellige nanorør, for eksempel, vil reagere forskjellig på samme stimulus. Elektronikk trenger enhetlige komponenter for å fungere på forutsigbare måter.
Introduksjon
"Vi kan egentlig ikke isolere nanorør," sa Boghossian. "Kanskje personen som finner en enkel måte å isolere rene nanorør kan få en Nobelpris," akkurat som Geim og Novoselov vant fysikkprisen ikke for å oppdage grafen, men for å isolere det.
Forskere liker YuHuang Wang ved University of Maryland utvikler en måte å klipp lange nanorør å produsere spesifikke lengder - en vanskelig ovenfra-ned-teknikk som starter med en blanding av nanorør og forvandler dem til en samling av identiske seksjoner. Andre forskere prøver å konstruere nanorør fra bunnen og opp, atom for atom, men denne tilnærmingen er feil og kostbar.
Grafen, med sine ensartede enkeltlagsark, er der Crommie tror det sanne potensialet for nanomaterialer i karbon vil bli oppfylt. Den beste veien til karbonbaserte elektroniske og magnetiske enheter, etter hans syn, er å trimme grafenbånd til nyttige former - en teknikk han sier allerede har ført til komplekse elektroniske enheter i laboratoriet.
Introduksjon
Baby Steps for Fullertubes
Så hvilken rolle, om noen, kan fylles av fullertubes? Fordi krystallene er ensartede og kan være enten ledere eller halvledere, forestiller Stevenson og Dorn seg at de potensielt kan kobles sammen som Legos i nanostørrelse for å lage miniatyrelektronikk.
Boghossian setter nanorør inn i celler for å studere miljøet inne. Hun er avhengig av nanorørsfluorescens: Strukturene absorberer en lysfarge og sender ut en annen, og lysforandringen avslører informasjon om cellulære forhold. Men fluorescensen avhenger av strukturen til nanorørene, og forskjeller mellom dem gjør signaler vanskeligere å tolke. De korteste fullerørene fluorescerer ikke, men de lengre viser tegn til det. Hvis enda lengre fullerrør fluorescerer sterkere, kan de være en velsignelse for forskning som hennes. "Jeg tror det vil hjelpe mye med de optoelektroniske applikasjonene," sa hun.
Siden 2020, ifølge et søk i akademiske publikasjoner, har fullerener blitt nevnt i rundt 22,700 93,000 artikler. Nanorør vises i 200,000 94. Et søk på grafen viser over XNUMX XNUMX referanser. For fullertubes, når dette skrives, er det totale antallet relevante publikasjoner gjennom tidene XNUMX.
Flere forskere kan gjøre spranget til fullerrør over tid, sier Boghossian, hvis studier avslører egenskaper som ligner de til nanorør, med den ekstra fordelen av presise lengder. Likevel sa hun, "det vil kreve litt tilpasning, fordi folk har jobbet med nanorør [og andre karbonformer] hele livet."
