Nejpevnější materiál na světě aneb už v Sovětském svazu  
Uhlík nejsou jen fosilní paliva a oteplování, ale třeba i „šesterečný“ diamant zvaný lonsdaleit, „bílý uhlík“ chaoit a pevnostní šampion grafen. A právě ten z trůnu nejpevnější látky světa nyní sesazuje jiná uhlíkatá struktura - karbyn.

 

Zvětšit obrázek
Nanovlákna tvořená atomy uhlíku ve struktuře zvané karbyn jsou dvakrát pevnější, než čím na stejném průřezu disponuje dosavadní jednička - grafen. (Kredit: Vasilii Artyukhov / Rice University)

Pro astronomy není karbyn látkou neznámou, pozemskému zájmu se začal těšit až díky americkým teoretickým chemikům, kteří z něj udělali nového uhlíkového pevnostního krále. Podle propočtů atomárních sil je totiž tím nejpevnějším, co jsme zatím kdy poznali. Tvrdí to teoretický fyzik Boris Yakobson z Rice University s týmem spolupracovníků ve své publikaci uveřejněné v časopisu vydávaném společností amerických chemiků (ACS Nano). Závěry jeho týmu pořádně rozvířily tento týden hladinu klidných chemických vod. Podařilo se jim to pouhými počty, navíc provedenými na obyčejném jednoduchém lineárním řetězci atomů uhlíku. Veškerý povyk se totiž týká vlákna drženého pohromadě jen dvojnou a nebo střídající se  jednoduchou a trojitou vazbou – struktury zvané karbyn. Atomární vazby v lineárně uspořádaných atomech uhlíku dělají z strukturu karbyn nejpevnější materiál s jakým jsme se kdy setkali.


 

Boris Yakobson, vedoucí výzkumného týmu, Rice University

Bohužel jsme ho na Zemi fyzicky vyrobili zatím jen tolik, že to stačilo akorát na potvrzení, že něco takového může existovat. Dělat karbyn ve velkém umí jen mocné síly kosmu. U nás doma to  zvládly jen  některé z asteroidů. A pak také údajně již v roce 1960 vědci v tehdejším Sovětském svazu, říkalo se mu polymerní uhlík a nebo taky  LAC. Občas se o karbynu zmiňovaly zprávy  pracovišť  experimentujících s obrovskými tlaky, když svou největší sílu náhodou aplikovali na grafit. Z laického pohledu by přitom na výrobě karbynu nemělo být nic moc tak složitého. Každý atom uhlíku je totiž schopen vytvářet celkem čtyři jednoduché vazby a kromě toho i vazbu dvojnou C=C a vazbu trojnou C≡C. Navíc už nějaký ten pátek víme, že mohou vznikat řetězce a rozvětvené cyklické struktury. Karbyn je prakticky ten nejjednodušší lineární řetězec atomů uhlíku držený pohromadě dvojnými nebo střídavě jedno a trojnou atomovou vazbou. Paradoxně právě tato jednoduchost z něj činí jednolitý a neskutečně pevný materiál. Zatím si prvenství nejpevnějšího materiálu držel nedávno objevený grafen. Ten ale tvoří zcela odlišnou atomární strukturu. Tenké listy vrstev atomů uhlíku uspořádaných do šestiúhelníků. Grafen jsou tedy plošky, které mají horní a spodní část. Když z takových listů potřebujeme udělat provázek, nezbývá nám, než ho kroutit do trubičky. I ty nejtenčí  ruličky jsou uprostřed duté. Dutiny, jak známo, nejsou pro pevnost tou nejlepší volbou. Proto je „plný“ provazec karbynu se svým lineárním uspořádáním atomů strukturou ještě pevnější, než grafen.


 

Zvětšit obrázek
Karbyn (Carbyne) by měl najít uplatnění v elektronice, spintronice i v nových způsobech skladování energie. (Kredit: Vasilii Artyukhov / Rice University)

Podle chemik-fyziků je k přetržení jediného karbynového atomárního uhlíkatého vlákna potřeba  10 nN. O něco lepší představu získáme vyjádřením stejné hodnoty ve formě 7,5 × 107 N·m/kg. Karbyn svou pevností v tahu dvakrát převyšuje grafen a tím i jakýkoli jiný známý materiál.
 


Karbyn
- Má dvakrát vyšší pevnost a tuhost grafenu uhlíkových nanotrubiček a téměř třikrát vyšší než je pevnost diamantu.
- Protažení (strečink) je malý, činí pouhých 10 procent.
- Úpravou koncových částí z něj lze získat magnetický polovodič, což je vlastnost využitelná ve spintronice.
- Řetězce karbynu lze vybavit postranními molekulami vhodnými pro skladování elektrického náboje (princip elektronické paměti).
- Materiál je stabilní při pokojové teplotě  a je navíc poměrně odolný vůči vytváření křížových vazeb s okolními řetězci.


Pozoruhodný výčet vlastností ještě vynikne, když si uvědomíme, že na látky s obdobnými vlastnostmi jsme zatím potřebovali slitiny. Jak vidno, docílit jich lze i jednoduchým uhlíkatým  řetězcem. Podle autorů si novou látku můžeme představit jako grafenovou trubičku tak trochu s jejími polovodičovými vlastnostmi, ale zmenšenou na maximální možnou míru, kterou jsme zbavili hluchých vnitřních prostor jakýmsi protažením do jediného vlákna tvořeného jednotlivými atomy uhlíku. I když výrobce takových vláken zatím k dispozici není, zájemci o super-materiál se jen hrnou a již se teoretizuje o aplikacích v mechanických systémech, spintronice, senzorech vhodných pro ty nejnehostinnější podmínky prostředí, stejně jako o vhodném lehkém a pevném materiálu pro tlakové nádoby,  nových způsobech skladování energie,....  


Podle autora publikace se všichni zatím při hledání nových materiálů soustředili především na to, co lze nazvat "základním stavem" a co představuje u látek jejich nejnižší možnou energetickou atomární konfiguraci. Pro uhlík to byl grafit, pak diamant, později nanotrubičky z grafenu a fullereny. Karbyn je na opačnému konci, má nejvyšší ale ještě stabilní energetickou konfiguraci atomů. Podle Yakobsona právě v těchto končinách lze nyní očekávat další objevy stabilních struktur se zajímavými vlastnostmi.
I když se karbynu podařilo vyrobit jen nicotná množství několika málo experimentátorům, z diskusí které se nyní po výpočtu jeho vlastností v odborném tisku objevily, lze usoudit, že mnohem důležitější, než neuvěřitelná pevnost staronového materiálu je tušení dalších souvislostí. Vědci si myslí, že schopností  vytvářet podobné atomární řetězce by mohlo být vlastní i dalším prvkům periodické soustavy. A že nás v tomto směru čekají mnohá další překvápka.


Literatura:
Rice University
ACS Nano,  pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn404177r
Carbyne From First Principles: Chain of C Atoms, a Nanorod or a Nanorope

 

Autor: Josef Pazdera
Datum: 12.10.2013 16:52
Tisk článku

Der Schwedische Reiter - Perutz L.
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 326 Kč
cena: 290 Kč
Der Schwedische Reiter
Perutz L.

Diskuze:

Udržet slona

Vitek Tyler,2013-10-18 05:55:02

Udržet sloního býka v říji asi není jednoduché. Když má musth, je potřeba pořádný řetěz, nebo lano. Vyvrátí klidně strom i s kořeny. Utáhne i nákladní auto, takže je dobré počítat s tím, že naštvaný slon indický vyvine bez větších problémů sílu 10 000 kg. Ostatně reklamní záběry kde slon táhne z bahna kládami naložené nákladní auto, není podvrh. Slona kovovým lankem o průměru tužky v žádném případě neudržíte.

Odpovědět

Slon na tužce?

Vojtěch Kocián,2013-10-14 10:35:36

To na inženýra moc velký dojem neudělá. Slona (5 tun) unese drát z kvalitní oceli o průřezu 1 cm čtvereční, což je jen trojnásobný průřez, než má zmiňovaná tužka. Přitom ocel má pevnost jen zhruba 64 kN.m/kg. Na slona by tedy mělo stačit karbynové lanko o průřezu tuhy do tužky. Možná i mikrotužky, kdyby měl karbyn hustotu alespoň 4000 kg na kubický metr. Což nejspíš mít nebude, ale tak malou, aby musel mít tak velký přůřez, nejspíš také ne. Na podobné příměry raději opatrně.

Odpovědět


Matyáš Patlevič,2013-10-14 12:10:02

také to na mě neudělalo dojem. Už před lety jsem slyšel, o pavoučím vláknu spleteném do lana o síle tužky, co zastaví boeing 747 v letu... je mi jasné, že většinu energie zde pohltí spíše pružnost, než pevnost, ale stejně... Na internetu se to články na tohle téma jen hemží, ale zdroje jsou dosti pochybné.

Odpovědět


slon na tuzce

Tomáš Baskala,2013-10-16 08:50:36

Strojarinu na CVUT som skoncil pred 10 rokmi, pocas prveho rocnika na predmete "Materiály I" sme pocitali ake hrube musi byt spletane ocelove lanko aby unieslo slona. Vyslo nam 7mm (plocha cca 40mm2), co je zhruba priemer klasickej drevenej ceruzky. Pevnost lanka sme brali z nejakych vtedy pouzivanych tabuliek, bola na to kniha kde bol kopec roznych udajov - dnes to vsetko mame v CAD/CAM systeme v knizniciach takze nazov si uz fakt nespomeniem.

Odpovědět


Jaký má

Monika Vankova,2013-10-18 06:03:53

průřez horolezecké lano, ví to někdo?

Odpovědět


Prumer je vetsinou 1 cm

Vanda Bednarikova,2013-10-22 14:02:46

Ale jsou i tenčí, podle toho k jakému účelu. Unést by mělo i pád horolezce, ale neradno to prý opakovat častěji než třikrát. Po třetím extrémním namahaní už nic není sichr.

Odpovědět

to: Pavel Brož

Michal Lichvar,2013-10-12 21:07:18

S tou nestabilitou nesuhlasim. Ak si spravne pamatam, s barierou sa to ma tak, ze oddeluje 2 stabilne konfiguracie. Aby sa mohla jedna zmenit na druhu, je treba iste mnozstvo eneregie.

Typicky priklad je fuzia. Dva protony sa strasne odpudzuju, ked na ne ale okolie posobi velkou silou, tak sa zacnu tak zrazu zacnu pritahovat, ze rozdelit ich vyzaduje opat znacnu davku snahy.

Kazdopadne, ano, iste ziarenia mozu vyvolavat rezonancie, co sposobi rozpad struktury.

Odpovědět


není tomu tak

Pavel Brož,2013-10-13 00:10:29

obecně, díky kvantovým jevům, je možné přejít z jedné stabilní konfigurace do jiné stabilní konfigurace i bez dodání energie, např. díky tunelovému jevu (ve skutečnosti se dá o tunelovém jevu v takovém případě mluvit vždycky, pokud tunelový jev chápeme obecněji jakožto přechod od jednoho lokálního energetického minima k jinému lokálnímu energetickému minimu, kdy parametrem ta minima oddělujícím nemusí být nutně poloha, ale obecně jiný parametr, kterým třeba může být magnetický moment, atd.). Praktickým příkladem takového jevu, kdy je překonávána potenciálová bariéra bez nutnosti dodání externí energie, je např. alfa rozpad některých izotopů, mohou to být ale i rozpady některým nestálých látek, spontánní změna fáze látky nacházející se v kritickém stavu, atd.. Z těch exotických příkladů se např. o "tunelování" v tomto rozšířeném smyslu hovoří i v teoretických modelech fázových změn vakua, např. když se v rozpínajícím se chladnoucím vesmíru narušovaly jednotlivé částicové symetrie, tak vesmír mohl přejít ze stavu falešného vakua, což byl ve skutečnosti zrovna takový stav jednoho energetického minima, do současného vakua, což je nynější energetické minimum, a to bez nutnosti dodání vnější energie.

Každé takovéto tunelování je ze své podstaty kvantovým procesem, v rámci nekvantové fyziky pochopitelně nemožným. Z pohledu kvantové fyziky je takovéto tunelování možné kdykoliv, když tomu nebrání nějaké jiné zákony zachování (např. zákon zachování náboje, zákon zachování leptonového čísla, zákon zachování baryonového čísla, atd.). Tzn. že i proces, kdy by člověk z ničeho nic propadnul podlahou do nižšího podlaží bez poškození té podlahy je z pohledu kvantové fyziky možný. V reálu ovšem ne, protože jeho pravděpodobnost je prakticky nulová. A o té pravděpodobnosti to obecně je - pokud tomu nebrání ty jiné zákony zachování, tak ta pravděpodobnost přechodu mezi dvěma rovnocennými energetickými stavy je nenulová vždy, ale může být zanedbatelně malá. U makroskopických systémů většinou zanedbatelně malá vždy je, potom k přechodu od jednoho lokálního energetického minima k jinému potřebujete dodat minimálně tolik energie, kolik činí rozdíl k vrcholu té oddělující bariéry. U kvantových systémů je tomu ale jinak.

Speciálně pak u dlouhých polymerických řetězců s mnoha nenasycenými vazbami dochází velice snadno k různým přesmykům - tak např. řetízek z atomů uhlíku, mezi nimiž se střídá jednoduchá a trojná vazba, může velice snadno přejít k řetízku s pouze dvojnými vazbami.

Odpovědět

Ohledně té stability

Pavel Brož,2013-10-12 20:27:11

Stabilita molekul (a obecně jakéhokoliv kvantově mechanického systému či ještě obecněji jakéhokoliv vázaného stavu) je určena z velké části výškou a šířkou bariéry, která jej dělí od jiných konfigurací, které mají nižší energii. Pokud se tedy mají oproti zatím hledaným konfiguracím v blízkosti základního stavu hledat stabilní konfigurace vysoko nad základním stavem, tak s velkou pravděpodobností takto nalezené stabilní konfigurace nebudou stabilní po dlouhou dobu, nebo budou stabilní za dosti speciálních podmínek.

Osobně bych si tipnul, že většina takto nalezených stabilních konfigurací s vysokou energií bude mít trvanlivost mikrotenové tašky z Tesca, která se do pár dnů rozpadne. Takže tyto materiály můžou klidně i vynikat v pevnosti, ale jejich životnost bude bídná, protože budou rychle degradovat vlivem oxidace či ultrafialové části slunečního záření či v důsledku mnoha jiných běžných vlivů. Což samozřejmě nevylučuje jejich rozšíření např. v podmínkách velmi dobrého vakua v kosmu, či v podmínkách velmi nízkých teplot anebo ve speciální inertní atmosféře. V běžných podmínkách budou ale pravděpodobně velmi rychle degradovat.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni