'Fullertubes' Tham gia gia đình tinh thể carbon

Carbon có thể tự sắp xếp thành một trong những vật liệu cứng nhất trong tự nhiên, hoặc thành một vật liệu mềm đến mức trẻ em có thể ghi dấu vết của nó lên giấy. Cách đây vài thập kỷ, các nhà khoa học bắt đầu tự hỏi: Ngoài kim cương và than chì, carbon có thể có những dạng tinh thể nào khác?

Năm 1985, họ có được câu trả lời đầu tiên. Một nhóm các nhà hóa học đã phát hiện ra những quả cầu rỗng nhỏ được cấu tạo từ 60 nguyên tử carbon mà họ gọi là Buckminsterfullerene, hay viết tắt là Buckyball hay Fullerene. (Các tinh thể giống như các mái vòm trắc địa, được kiến ​​trúc sư R. Buckminster Fuller phổ biến rộng rãi.) Một lĩnh vực hóa học mới xuất hiện xung quanh các quả cầu rộng nanomet, khi các nhà nghiên cứu chạy đua để khám phá các đặc tính và ứng dụng của thứ được gọi là phân tử đẹp nhất.

Fullerene lớn hơn đã được tìm thấy. Sau đó, vài năm sau, một bài báo của nhà vật lý Nhật Bản Sumio Iijima đã thu hút sự quan tâm đến một dạng carbon liên quan, ban đầu được gọi là ống Bucky nhưng bây giờ được gọi là ống nano carbon: các hình trụ rỗng làm từ mạng lưới tổ ong gồm các nguyên tử carbon cuộn lại như giấy vệ sinh. ống.

Các tinh thể carbon có nhiều đặc tính điện, hóa học và vật lý mà dường như không có nguyên tố nào sánh bằng. Sự phấn khích xung quanh khoa học nano cacbon càng tăng cao hơn khi ba trong số những người phát hiện ra bóng Bucky, Robert Curl, Harold Kroto và Richard Smalley, nhận được giải Nobel Hóa học năm 1996. Sau đó, vào năm 2004, các nhà vật lý Andre Geim và Konstantin Novoselov đã tìm ra cách cô lập các tấm nguyên tử carbon phẳng – một tinh thể được gọi là graphene – khơi dậy một cuộc bùng nổ nghiên cứu khác và tự nó đã tồn tại kể từ đó, và tự mình giành được giải Nobel vật lý năm 2010.

Gần đây, các nhà hóa học đã phát hiện ra một loại tinh thể cacbon khác - lần này ít phô trương hơn nhiều. Hầu hết các chuyên gia carbon được liên hệ về câu chuyện này vẫn chưa nghe nói về nó. Và cho đến nay, toàn bộ nguồn cung toàn cầu có lẽ lên tới miligam, tương đương với khối lượng của một số ít ruồi nhà.

Những cấu trúc carbon mới nhất này nằm ở đâu đó giữa fullerene hình cầu và ống nano hình trụ; theo Harry Dorn, một nhà hóa học tại Viện Bách khoa Virginia và Đại học Bang, người cộng tác với Steven Stevenson của Đại học Purdue, người đầu tiên phát hiện ra các phân tử. Stevenson và Dorn đã đặt tên cho các tinh thể này là fullertubes.

Fullertubes kết hợp những tính năng tốt nhất của fullerene và ống nano. Hoặc điều tồi tệ nhất của cả hai. Hoặc có thể một chút điều tốt và điều xấu từ mỗi điều - điều đó phụ thuộc vào người bạn hỏi. Vẫn còn phải xem liệu các đặc tính của chúng sẽ hữu ích như thế nào hoặc liệu chúng có hữu ích hay không. Đó là nơi mà chúng tôi đã từng đến trước đây và được cho là vẫn ở đó, với những họ hàng carbon nổi tiếng của fullertubes.

Khai thác cho Fullertubes

Trung tâm của thế giới fullertube là một phòng thí nghiệm hóa học có kích thước bằng một phòng khách tại khuôn viên Purdue's Fort Wayne, Indiana. Ở đó, Stevenson và nhóm sinh viên chưa tốt nghiệp của mình thu thập và phân loại các phân tử mới tìm thấy, bao gồm các nắp hình bán cầu ở đầu các hình trụ có chiều rộng và chiều dài khác nhau.

Năm 2020, Stevenson và cộng tác viên đã công bố thành viên đầu tiên thuộc họ fullertube, một phân tử 90 nguyên tử về cơ bản là hai nửa của một quả bóng Bucky được nối với nhau bằng phần giữa ống nano 30 nguyên tử. Họ đã tìm thấy phân tử này cùng với hai anh chị em lớn hơn lần lượt được tạo thành từ 96 và 100 nguyên tử carbon.

Năm nay, Stevenson và Dorn mô tả thêm hai fullertubes, cả hai đều có 120 nguyên tử cacbon. Nghiên cứu của họ cho thấy rằng phân tử hình viên thuốc hẹp hơn có khả năng dẫn điện, trong khi phân tử rộng hơn, ngắn hơn – một cách hấp dẫn – là một chất bán dẫn, nghĩa là nó có khả năng được sử dụng cho bóng bán dẫn và các thiết bị điện tử khác. Fullertubes cũng có nhiều đặc tính quang học và độ bền kéo mà các nhà nghiên cứu vẫn đang khám phá.

James Heath thuộc Viện Sinh học Hệ thống ở Seattle, người đã giúp cô lập các fullerene đầu tiên khi còn là nghiên cứu sinh làm việc với Curl và Smalley vào năm 1985, đã gọi các fullertubes mới là “cấu trúc đáng yêu” tuân theo cùng một quy luật hình học đã đưa ông và các đồng nghiệp của mình đến tìm kiếm fullerene ngay từ đầu: quy luật 12 hình ngũ giác và một số chẵn hình lục giác có thể tạo thành một lớp vỏ kín. (Ví dụ, Buckyball có cùng kiểu hình lục giác và hình ngũ giác như một quả bóng đá. Fullertubes duy trì quy tắc trong khi bổ sung thêm các đai hình lục giác.)

Các phân tử này đã nằm trong tầm ngắm của các nhà hóa học trong nhiều năm, ẩn náu trong cùng một loại bồ hóng carbon đặc biệt mà từ lâu đã là nguồn nguyên liệu chính của fullerene. Nhưng vào năm 2020, Stevenson cuối cùng đã tìm ra cách chọn ra các viên nang hình ống trong số các fullerene dồi dào hơn nhiều. Quá trình “kỳ diệu”, như ông gọi nó, là “phản ứng lại bất cứ thứ gì có hình cầu”. Vì vậy chúng tôi tách bóng ra khỏi ống.”

Muội đặc biệt thường được tạo ra bằng cách làm bay hơi cacbon khỏi các thanh than chì bên trong buồng. Khi hơi cacbon nguội đi trên thành buồng, phần lớn nó ngưng tụ thành fullerene, nhưng các fullertube hiếm cũng hình thành, rải rác như những viên đá quý trong một núi xỉ. Trò ảo thuật của Stevenson dựa vào các phân tử hòa tan trong nước được gọi là amin. Chúng bị thu hút bởi những nơi mà sự sắp xếp hình lục giác của các nguyên tử carbon gắn với sự sắp xếp hình ngũ giác - những điểm giao nhau xuất hiện trên khắp fullerene. Mặt khác, ống nano không hấp dẫn đối với các amin vì chúng chỉ có hình lục giác và ống nano đầy đủ hơn được bảo vệ một phần khỏi các amin nhờ phần giữa ống nano của chúng. Vì vậy, trong khi các amin liên kết với fullerene, làm cho chúng hòa tan trong nước, thì fullertube không phản ứng vẫn không hòa tan; Stevenson có thể chỉ cần rửa sạch fullerene, để lại fullertubes.

Sau đó, ông chạy các mẫu được làm giàu fullertube của mình thông qua các máy phân tách các phân tử dựa trên khối lượng và sự khác biệt hóa học tinh tế của chúng, tạo ra các bộ sưu tập fullertube nguyên chất với khối lượng, hình dạng và đặc tính đồng nhất.

“Cách tiếp cận của Steve chắc chắn là một điều gì đó khá hấp dẫn,” nhà hóa học nói. Ardemis Boghossian của École Polytechnique Fédérale de Lausanne ở Thụy Sĩ, người nghiên cứu về ống nano. “Đó là một cách tiếp cận thường không được sử dụng trong lĩnh vực của chúng tôi. … Của anh ấy thì chính xác hơn một chút.”

Các chuyên gia cho biết khả năng phân lập các mẫu fullertubes nguyên chất, đồng nhất mang lại cho các phân tử sức hấp dẫn hơn nhiều so với những gì chúng có. Fullerene cũng có thể được phân lập, nhưng chúng thiếu các đặc tính điện và quang học khiến cho fullertubes và ống nano có triển vọng trở thành thành phần trong mạch điện hoặc cảm biến dựa trên ánh sáng. Trong khi đó, độ tinh khiết vẫn chỉ là giấc mơ đối với các nhà nghiên cứu ống nano, những người thường làm việc với vô số ống có chiều dài và đường kính ngẫu nhiên, thậm chí cả những ống được lồng trong ống. Vậy liệu fullertubes có thể vượt qua những rào cản đã cản trở những người anh em họ của nó không?

Chuyện gì đã xảy ra với Buckyball?

Trong 1 1991 bài viết trong Khoa học Mỹ, Curl và Smalley đã tưởng tượng ra những ứng dụng mang tính cách mạng của Buckminsterfullerenes, bao gồm các chất siêu dẫn, thiết bị điện tử và chất bôi trơn mới dựa trên carbon. “Tính linh hoạt của số lượng lớn C₆₀ dường như tăng lên hàng tuần,” họ viết.

Năm năm trôi qua. Ủy ban Giải thưởng Nobel viết: “Chưa có ứng dụng thực tế hữu ích nào được tạo ra”. thông cáo báo chí năm 1996 thông báo rằng Curl, Kroto và Smalley đã giành được giải thưởng hóa học vì đã khám phá ra Buckminsterfullerene, “nhưng điều này không thể xảy ra sớm nhất là sáu năm sau khi số lượng fullerene ở mức vĩ mô được cung cấp.”

Một phần tư thế kỷ sau, không có sản phẩm nào được mong đợi ban đầu được tung ra thị trường. Một số nơi mà bạn có thể bắt gặp Buckyball về mặt thương mại là mỹ phẩm và thực phẩm bổ sung quảng cáo tiềm năng của phân tử này như một chất chống oxy hóa. Tuy nhiên, cả hai loại sản phẩm đều không cần sự chấp thuận của FDA và một số nghiên cứu đã cho thấy dấu hiệu độc tính của Buckyball. (Một nghiên cứu dường như ủng hộ những lợi ích sức khỏe, ít nhất là trong việc kéo dài tuổi thọ của chuột tiếp xúc với bức xạ ion hóa; người khác tìm thấy không có lợi ích kéo dài sự sống ở chuột.)

Michael Crommie, một nhà vật lý tại Đại học California, Berkeley, coi fullerene có vai trò quan trọng chủ yếu trong việc tạo ra dấu vết dẫn đến các tinh thể carbon khác. “Bởi vì chúng tôi có những quả bóng Bucky,” ông nói, “điều đó dẫn đến ống nano, và điều đó cuối cùng dẫn đến graphene.”

Ống nano có nhiều thành công về mặt khoa học và thương mại hơn fullerene. Bạn có thể mua chúng ở cửa hàng kim khí, nơi chúng được tìm thấy dưới dạng “băng nano” hoặc “băng tắc kè” sử dụng các tinh thể để bám dính giống như cách chân thằn lằn sử dụng những sợi lông cực nhỏ. Ống nano cực kỳ bền, có khả năng vượt trội hơn nhiều so với thép - ngoại trừ việc chưa có ai chế tạo được ống nano có chiều dài đủ cho hệ thống cáp siêu bền. Tuy nhiên, ống nano vẫn tăng thêm độ bền khi trộn vào vải, vỏ thuyền, thân ô tô hiệu suất cao và vợt tennis. Chúng cũng được sử dụng rộng rãi để lọc nước và nâng cao hiệu suất của một số loại pin.

Nhưng trong khi những ứng dụng đó liên quan đến số lượng lớn ống nano có chiều dài và đường kính khác nhau, thì những ứng dụng mang tính đột phá hơn như cảm biến nano chính xác sẽ yêu cầu các ống nano giống hệt nhau. Ví dụ, hai cảm biến được chế tạo từ các ống nano khác nhau sẽ phản ứng khác nhau với cùng một kích thích. Điện tử cần các thành phần đồng nhất để hoạt động theo những cách có thể dự đoán được.

“Chúng tôi thực sự không thể cô lập các ống nano,” Boghossian nói. “Có lẽ người tìm ra cách dễ dàng để cô lập các ống nano tinh khiết có thể nhận được giải Nobel,” giống như Geim và Novoselov đã giành được giải thưởng vật lý không phải vì khám phá ra graphene mà vì cô lập nó.

Các nhà nghiên cứu thích Ngọc Hoàng Vương tại Đại học Maryland đang phát triển một cách để cắt ống nano dài để tạo ra các độ dài cụ thể - một kỹ thuật khó khăn từ trên xuống bắt đầu bằng việc kết hợp các ống nano và biến chúng thành một tập hợp các phần giống hệt nhau. Các nhà nghiên cứu khác đang cố gắng chế tạo các ống nano từ dưới lên, từng nguyên tử một, nhưng phương pháp này bị lỗi và tốn kém.

Graphene, với các tấm một lớp đồng nhất, là nơi Crommie tin rằng tiềm năng thực sự của vật liệu nano carbon sẽ được phát huy. Theo quan điểm của ông, con đường tốt nhất để tạo ra các thiết bị điện tử và từ tính dựa trên carbon là cắt các dải băng graphene thành các hình dạng hữu ích – một kỹ thuật mà ông cho rằng đã dẫn tới các thiết bị điện tử phức tạp trong phòng thí nghiệm.

Những bước đi của em bé dành cho Fullertubes

Vậy fullertubes có thể đảm nhận vai trò nào, nếu có? Bởi vì các tinh thể đồng nhất và có thể là chất dẫn điện hoặc chất bán dẫn, Stevenson và Dorn tưởng tượng rằng chúng có thể được liên kết với nhau như những khối Lego kích thước nano để tạo ra các thiết bị điện tử thu nhỏ.

Boghossian chèn ống nano vào tế bào để nghiên cứu môi trường bên trong. Cô dựa vào huỳnh quang ống nano: Các cấu trúc hấp thụ một màu ánh sáng và phát ra một màu khác, và sự thay đổi ánh sáng tiết lộ thông tin về tình trạng tế bào. Nhưng sự phát huỳnh quang phụ thuộc vào cấu trúc của ống nano và sự khác biệt giữa chúng khiến tín hiệu khó diễn giải hơn. Những ống fullertube ngắn nhất không phát huỳnh quang, nhưng những ống dài hơn lại có dấu hiệu của nó. Nếu các ống fullertube dài hơn nữa phát huỳnh quang mạnh hơn, chúng có thể mang lại lợi ích cho những nghiên cứu giống như của cô. “Tôi nghĩ nó sẽ giúp ích rất nhiều cho các ứng dụng quang điện tử,” cô nói.

Kể từ năm 2020, theo tìm kiếm trên các ấn phẩm học thuật, fullerene đã được đề cập trong khoảng 22,700 bài báo. Ống nano xuất hiện trong 93,000. Tìm kiếm trên graphene cho ra hơn 200,000 trích dẫn. Đối với fullertubes, tính đến thời điểm viết bài này, tổng số ấn phẩm có liên quan là 94.

Boghossian cho biết, theo thời gian, nhiều nhà nghiên cứu có thể thực hiện bước nhảy vọt sang ống fullertube nếu các nghiên cứu tiết lộ các đặc tính tương tự như ống nano, với lợi ích bổ sung là độ dài chính xác. Tuy nhiên, cô ấy nói, “sẽ cần một số sự thích nghi, bởi vì mọi người đã làm việc trên các ống nano [và các dạng carbon khác] cả cuộc đời của họ.”