Predstavitev
Ogljik se lahko razporedi v enega najtrših materialov v naravi ali pa v tako mehkega, da otroci na papir zapišejo njegove sledi. Pred nekaj desetletji so se znanstveniki začeli spraševati: katere druge kristalne oblike bi lahko imel ogljik poleg diamanta in grafita?
Leta 1985 so dobili prvi odgovor. Skupina kemikov je odkrila majhne votle kroglice, zgrajene iz 60 atomov ogljika, ki so jih poimenovali buckminsterfullereni ali na kratko buckyballs ali fulereni. (Kristali so spominjali na geodetske kupole, ki jih je populariziral arhitekt R. Buckminster Fuller.) Okoli nanometrskih krogel se je pojavilo novo področje kemije, ko so raziskovalci tekmovali, da bi odkrili lastnosti in uporabo tega, čemur pravijo najlepša molekula.
Najdeni so bili večji fulereni. Nato je nekaj let pozneje članek japonskega fizika Sumia Iijime vzbudil zanimanje za sorodno obliko ogljika, sprva imenovano buckytubes, zdaj pa znano kot ogljikove nanocevke: votle valje, narejene iz mreže satja ogljikovih atomov, ki je zvit kot toaletni papir. cev.
Ogljikovi kristali so imeli spekter električnih, kemijskih in fizikalnih lastnosti, ki se jim ni zdel noben drug element. Navdušenje okoli ogljikove nanoznanosti se je še povečalo, ko so trije izmed odkriteljev buckyballov, Robert Curl, Harold Kroto in Richard Smalley, leta 1996 prejeli Nobelovo nagrado za kemijo. Nato sta leta 2004 fizika Andre Geim in Konstantin Novoselov našla način za izolacijo ploščatih plošč ogljikovih atomov – kristala, znanega kot grafen –, s čimer sta sprožila novo eksplozijo raziskav, ki se od takrat nadaljuje, in si leta 2010 prislužila Nobelovo nagrado za fiziko.
Pred kratkim so kemiki odkrili še eno vrsto ogljikovega kristala - tokrat z veliko manj pompa. Večina strokovnjakov za ogljik, ki so bili v stiku s to zgodbo, še vedno ni slišala zanjo. In doslej celotna svetovna ponudba verjetno znaša miligrame, približno maso peščice hišnih muh.
Predstavitev
Te najnovejše ogljikove strukture spadajo nekje med sferične fulerene in cilindrične nanocevke; gre za "zvezo" obeh v nanometru, ki je oblikovana kot kapsula za zdravilo, pravi Harry Dorn, kemik na Virginia Politechnic Institute in State University, ki sodeluje z Steven Stevenson Univerze Purdue, prvi odkritelj molekul. Stevenson in Dorn sta kristale poimenovala fullertubes.
Fullertubes združujejo najboljše lastnosti fuleren in nanocevk. Ali najslabše od obojega. Ali morda nekaj dobrega in slabega od vsakega - odvisno od tega, koga vprašate. Kako oziroma ali bodo njihove lastnosti uporabne, bomo še videli. To je kraj, kjer smo že bili in verjetno še vedno smo, s slavnimi karbonskimi sorodniki Fullertubes.
Rudarjenje za Fullertubes
Središče sveta fullertube je kemijski laboratorij velikosti dnevne sobe v kampusu Purdue's Fort Wayne v Indiani. Tam Stevenson in njegova majhna skupina dodiplomskih študentov zbirajo in taksonomizirajo novoodkrite molekule, ki so sestavljene iz polkroglih pokrovčkov na koncih valjev različnih širin in dolžin.
Leta 2020 so Stevenson in sodelavci napovedali prvi član iz družine fullertube, 90-atomske molekule, ki je v bistvu dve polovici buckyballa, povezanih s 30-atomsko sredino nanocevke. Molekulo so našli skupaj z dvema večjima bratoma in sestrama iz 96 oziroma 100 ogljikovih atomov.
Letos Stevenson in Dorn opisal še dve fullertubi, oba sestavljena iz 120 ogljikovih atomov. Njihove študije kažejo, da je ožja od teh molekul v obliki tabletke električno prevodna, medtem ko je širša, krajša - intrigantno - polprevodnik, kar pomeni, da bi se lahko uporabila za tranzistorje in druge elektronske naprave. Fullertube imajo tudi vrsto optičnih in nateznih lastnosti, ki jih raziskovalci še raziskujejo.
Predstavitev
James Heath z Inštituta za sistemsko biologijo v Seattlu, ki je leta 1985 kot podiplomski študent sodeloval s Curlom in Smalleyjem pomagal izolirati prve fulerene, je nove fullertube poimenoval "ljubke strukture", ki sledijo istemu geometrijskemu pravilu, ki je njega in njegove kolege pripeljalo do iskanje fulerenov na prvem mestu: pravilo, da lahko 12 peterokotnikov in sodo število šestkotnikov tvori zaprto lupino. (Buckyballs, na primer, imajo enak vzorec šesterokotnikov in peterokotnikov kot nogometna žoga. Fullertubes ohranjajo pravilo, medtem ko dodajajo dodatne pasove šesterokotnikov.)
Molekule so bile leta pod nosom kemikov in so se skrivale v istih posebnih ogljikovih sajah, ki so bile dolgo primarni vir fulerenov. Toda leta 2020 je Stevenson končno ugotovil, kako izbrati cevaste kapsule med veliko bolj razširjenimi fulereni. »Čarobni« proces, kot ga imenuje, je »odzvati se na karkoli sferičnega. Tako ločimo kroglice od cevi.«
Posebne saje se običajno izdelajo z uparjanjem ogljika z grafitnih palic v komori. Ko se ogljikova para ohlaja na stenah komore, se večina kondenzira v fulerene, vendar nastanejo tudi redke polne cevi, posute kot dragulji v gori žlindre. Stevensonov čarovniški trik se opira na vodotopne molekule, znane kot amini. Te privlačijo mesta, kjer se heksagonalne razporeditve ogljikovih atomov pritrdijo na peterokotne razporeditve - presečišča, ki se pojavljajo po vseh fulerenih. Po drugi strani pa so nanocevke neprivlačne za amine, ker imajo le šestkotnike, polne cevi pa so delno zaščitene pred amini s svojim sredinskim delom nanocevk. Torej, medtem ko se amini vežejo na fulerene, zaradi česar so topni v vodi, nereagirane polne cevi ostanejo netopne; Stevenson lahko fulerene preprosto spere stran in za seboj pusti polne cevi.
Nato svoje vzorce, obogatene s fullertube, spusti skozi stroje, ki ločujejo molekule na podlagi njihove mase in subtilnih kemijskih razlik, pri čemer dobi čiste zbirke fullertube z enotnimi masami, oblikami in lastnostmi.
Predstavitev
"Stevov pristop je vsekakor nekaj, kar je zelo fascinantno," je dejal kemik Ardemis Boghossian z École Polytechnique Fédérale de Lausanne v Švici, ki se ukvarja z nanocevkami. »To je pristop, ki se na našem področju ne uporablja običajno. … Njegov je nekoliko bolj natančen.”
Strokovnjaki pravijo, da sposobnost izolacije čistih, enotnih vzorcev polnih cevi daje molekulam veliko večjo privlačnost, kot bi jo imele sicer. Fulerene je mogoče tudi izolirati, vendar nimajo električnih in optičnih lastnosti, zaradi katerih so polne cevi in nanocevke obetavne kot komponente v električnih vezjih ali svetlobnih senzorjih. Medtem pa čistost ostaja le sanje za raziskovalce nanocevk, ki pogosto delajo z zmešnjavo cevi naključnih dolžin in premerov in celo z ugnezdenimi cevmi znotraj cevi. Torej bi lahko fullertubes premagal ovire, ki so postavile na pot njegove bratrance?
Kar se je zgodilo z Buckyballs?
V 1991 članek v Scientific American, Curl in Smalley sta si zamislila revolucionarne aplikacije buckminsterfulerenov, vključno z novimi superprevodniki na osnovi ogljika, elektroniko in mazivi. »Vsestranskost razsutega C60 zdi se, da raste iz tedna v teden,« so zapisali.
Minilo je pet let. "Nobena praktično uporabna aplikacija še ni bila izdelana," je zapisal odbor za Nobelovo nagrado sporočilo za javnost iz leta 1996 objavo, da so Curl, Kroto in Smalley prejeli nagrado za kemijo za odkritje buckminsterfulerenov, "vendar tega ni pričakovati že šest let po tem, ko so bile na voljo makroskopske količine fulerenov."
Četrt stoletja pozneje noben od sprva pričakovanih izdelkov ni prišel na trg. Nekaj mest, kjer lahko komercialno naletite na buckyballs, so kozmetika in prehranska dopolnila, ki nagovarjajo potencial molekule kot antioksidanta. Vendar nobena vrsta izdelka ne zahteva odobritve FDA in številne študije so pokazale znake toksičnosti pri buckyballs. (Zdi se, da ena študija podpira zdravstvene koristi, vsaj pri podaljšanju življenjske dobe miši izpostavljeni ionizirajočemu sevanju; drugi najde brez koristi za podaljšanje življenja pri miših.)
Michael Crommie, fizik na kalifornijski univerzi Berkeley, meni, da so fulereni pomembni predvsem za ustvarjanje sledi do drugih ogljikovih kristalov. "Ker imamo buckyballs," je dejal, "ki so pripeljali do nanocevk in to je na koncu vodilo do grafena."
Nanocevke so imele večji znanstveni in komercialni uspeh kot fulereni. Kupite jih lahko v trgovini s strojno opremo, kjer jih najdete v obliki »nano traku« ali »traku za gekone«, ki uporablja kristale za oprijem na skoraj enak način, kot noge kuščarjev uporabljajo mikroskopske dlake. Nanocevke so izredno močne, s potencialom, da močno prekašajo jeklo - le da še nikomur ni uspelo narediti dovolj dolgih nanocevk za ultra-močne kable. Kljub temu nanocevke dodajo moč, če jih vmešamo v tkanine, trupe čolnov, karoserije visoko zmogljivih avtomobilov in teniške loparje. Pogosto se uporabljajo tudi za filtriranje vode in za izboljšanje učinkovitosti nekaterih baterij.
Toda medtem ko te aplikacije vključujejo velike količine nanocevk različnih dolžin in premerov, bodo bolj prelomne aplikacije, kot so natančni nanosenzorji, zahtevale nanocevke, ki so enake druga drugi. Dva senzorja, zgrajena iz različnih nanocevk, se bosta na primer različno odzvala na isti dražljaj. Elektronika potrebuje enotne komponente, da lahko deluje na predvidljiv način.
Predstavitev
»Nanocevk ne moremo zares izolirati,« je dejal Boghossian. "Mogoče bi oseba, ki najde preprost način za izolacijo čistih nanocevk, dobila Nobelovo nagrado," tako kot sta Geim in Novoselov prejela nagrado za fiziko ne za odkritje grafena, ampak za njegovo izolacijo.
Raziskovalci kot YuHuang Wang na Univerzi v Marylandu razvijajo način za izrežite dolge nanocevke za izdelavo določenih dolžin – naporna tehnika od zgoraj navzdol, ki se začne z mešanico nanocevk in jih pretvori v zbirko enakih delov. Drugi raziskovalci poskušajo zgraditi nanocevke od spodaj navzgor, atom za atomom, vendar je ta pristop napačen in drag.
Grafen s svojimi enotnimi enoslojnimi ploščami je tisto, kjer Crommie verjame, da bo izpolnjen pravi potencial ogljikovih nanomaterialov. Najboljša pot do elektronskih in magnetnih naprav na osnovi ogljika je po njegovem mnenju obrezovanje grafenskih trakov v uporabne oblike - tehnika, za katero pravi, da je že privedla do kompleksnih elektronskih naprav v laboratoriju.
Predstavitev
Baby Steps za Fullertubes
Torej, kakšno vlogo, če sploh, bi lahko zapolnile fullertube? Ker so kristali enotni in so lahko prevodniki ali polprevodniki, Stevenson in Dorn domnevata, da bi jih bilo mogoče povezati skupaj kot nano-velike Lego kocke za izdelavo miniaturne elektronike.
Boghossian vstavi nanocevke v celice, da preuči okolje v njih. Zanaša se na fluorescenco nanocevk: strukture absorbirajo eno barvo svetlobe in oddajajo drugo, sprememba svetlobe pa razkriva informacije o celičnem stanju. Toda fluorescenca je odvisna od strukture nanocevk, zaradi razlik med njimi pa je signale težje interpretirati. Najkrajše polne cevke ne fluorescirajo, daljše pa kažejo znake. Če tudi daljše polne cevi močneje fluorescirajo, bi lahko bile koristne za raziskave, kot je njena. "Mislim, da bo zelo pomagalo pri optoelektronskih aplikacijah," je dejala.
Od leta 2020 so glede na iskanje po akademskih publikacijah fulereni omenjeni v približno 22,700 člankih. Nanocevke se pojavijo v 93,000. Iskanje po grafenu prikaže več kot 200,000 citatov. Za fullertubes je od tega pisanja skupno število ustreznih publikacij vseh časov 94.
Več raziskovalcev bo sčasoma morda naredilo preskok na polnejše cevi, pravi Boghossian, če bodo študije razkrile lastnosti, ki so podobne lastnostim nanocevk, z dodatno prednostjo natančnih dolžin. Kljub temu je dejala, "potrebno bo nekaj prilagajanja, saj ljudje delajo na nanocevkah [in drugih oblikah ogljika] vse svoje življenje."
