Ein einfacher Weg zur Herstellung "flexibler Diamanten"
Originelle Technik prognostiziert und steuert die geordnete Herstellung von starken und doch flexiblen Diamant-Nanofäden
Die begehrten Nanofäden aus Diamant, hart wie Diamant und flexibel wie Kunststoff, könnten unsere Welt revolutionieren - wenn sie nicht so schwierig herzustellen wären.
Künstlerische Darstellung, die zeigt, wie die geführte Synthese von Diamant-Nanofäden erfolgt, wenn das Ausgangsmaterial zwischen den Spitzen zweier Diamanten zusammengedrückt wird. Diese Diamant-Ambosszelle ist ein häufig verwendetes Instrument, um Materie unter extremen Druck zu setzen, und die Wissenschaftler von Carnegie sind seit Jahrzehnten führend bei der Anwendung dieser Forschungstechnik.
Samuel Dunning
Kürzlich hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Samuel Dunning und Timothy Strobel von Carnegie eine originelle Technik entwickelt, die die geordnete Herstellung von starken und dennoch flexiblen Diamant-Nanofäden vorhersagt und steuert und dabei mehrere bestehende Herausforderungen überwindet. Die Innovation wird es den Wissenschaftlern erleichtern, die Nanofäden zu synthetisieren - ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Anwendung des Materials für praktische Probleme in der Zukunft. Die Arbeit wurde kürzlich im Journal of the American Chemical Societyveröffentlicht .
Diamant-Nanofäden sind ultradünne, eindimensionale Kohlenstoffketten, zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar. Sie entstehen oft durch das Zusammenpressen kleinerer Kohlenstoffringe und bilden so die gleiche Art von Bindungen, die Diamanten zu den härtesten Mineralien auf unserem Planeten machen.
Anstelle des 3D-Kohlenstoffgitters, das in einem normalen Diamanten zu finden ist, sind die Kanten dieser Fäden jedoch mit Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen "bedeckt", die die gesamte Struktur flexibel machen.
Dunning erklärt: "Da die Nanofäden diese Bindungen nur in einer Richtung haben, können sie sich auf eine Art und Weise verbiegen, wie es bei normalen Diamanten nicht möglich ist."
Die Wissenschaftler sagen voraus, dass die einzigartigen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanofäden eine Reihe von nützlichen Anwendungen haben werden, von der Bereitstellung eines Sci-Fi-mäßigen Gerüsts für Weltraumfahrstühle bis hin zur Herstellung ultrastarker Gewebe. Allerdings hatten die Wissenschaftler bisher Schwierigkeiten, genügend Nanofadenmaterial herzustellen, um ihre vorgeschlagenen Superkräfte tatsächlich zu testen.
"Wenn wir Materialien für bestimmte Anwendungen entwickeln wollen", sagt Dunning, "müssen wir die Struktur und Bindung der Nanofäden, die wir herstellen, genau verstehen. Mit dieser Methode der Fadenführung können wir das wirklich tun!"
Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die Kohlenstoffatome dazu zu bringen, auf vorhersehbare Weise zu reagieren. In Nanofäden aus Benzol und anderen sechsatomigen Ringen kann jedes Kohlenstoffatom chemische Reaktionen mit verschiedenen Nachbarn eingehen. Dies führt zu vielen möglichen Reaktionen, die miteinander konkurrieren, und zu vielen verschiedenen Konfigurationen der Nanofäden. Diese Ungewissheit ist eine der größten Hürden für Wissenschaftler bei der Synthese von Nanofäden, bei denen die genaue chemische Struktur bestimmt werden kann.
Dunnings Team entschied, dass das Hinzufügen von Stickstoff zum Ring anstelle von Kohlenstoff dazu beitragen könnte, die Reaktion auf einen vorhersehbaren Weg zu führen. Sie begannen ihre Arbeit mit Pyridazin - einem sechsatomigen Ring, der aus vier Kohlenstoffen und zwei Stickstoffen besteht - und arbeiteten an einem Computermodell. Dunning arbeitete mit Bo Chen, Donostia International Physics Center, und Li Zhu, Assistenzprofessor an der Rutgers University und Carnegie Alum, zusammen, um zu simulieren, wie sich Pyridazinmoleküle bei hohem Druck verhalten.
"In unserem System verwenden wir zwei Stickstoffatome, um zwei mögliche Reaktionsstellen aus dem Ringsystem zu entfernen. Dadurch wird die Anzahl der möglichen Reaktionen drastisch reduziert", sagt Dunning.
Nachdem sie mehrere Computersimulationen durchgeführt hatten, die eine erfolgreiche Bildung von Nanofäden bei hohem Druck zeigten, waren sie bereit, das Experiment ins Labor zu bringen.
Das Team nahm einen Tropfen Pyridazin und füllte ihn in eine Diamant-Ambosszelle - ein Gerät, mit dem Wissenschaftler extreme Drücke erzeugen können, indem sie Proben zwischen den winzigen Spitzen herkömmlicher Diamanten zusammenpressen. Mithilfe von Infrarotspektroskopie und Röntgenbeugung überwachten sie die Veränderungen in der chemischen Struktur des Pyridazins bis zum 300.000-fachen des normalen Atmosphärendrucks und suchten nach der Entstehung neuer Bindungen.
Als sie sahen, dass sich die Bindungen bildeten, erkannten sie, dass sie den ersten Pyridazin-Diamant-Nanofaden erfolgreich vorhergesagt und im Labor hergestellt hatten.
"Unser Reaktionsweg erzeugt einen unglaublich geordneten Nanofaden", so Dunning. "Die Fähigkeit, andere Atome in das Nanofaden-Rückgrat einzubauen, die Reaktion zu steuern und die chemische Umgebung des Nanofadens zu verstehen, wird den Forschern bei der Entwicklung der Nanofadentechnologie unschätzbare Zeit sparen."
Dieser Prozess der Verwendung dieser Nicht-Kohlenstoff-Atome zur Steuerung der Bildung von Nanofäden, den Dunning als "Fadenlenkung" bezeichnet, ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer Zukunft, in der Wissenschaftler diese Materialien vorhersehbar herstellen und für fortschrittliche Anwendungen nutzen können. Nach der Entdeckung dieser synthetischen Strategie plant Dunning nun, die vielen möglichen Vorstufen für Nanofäden zu identifizieren und zu testen.
Er kann es auch kaum erwarten, die Pyridazin-Nanofäden auf Herz und Nieren zu prüfen.
Dunning schlussfolgert: "Jetzt, da wir wissen, dass wir dieses Material herstellen können, müssen wir damit beginnen, genug davon herzustellen, um genug zu lernen, um die mechanischen, optischen und elektronischen Eigenschaften zu bestimmen!"
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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