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

 

Datum: 12.10.2013 16:52
Tisk článku


Diskuze:



Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace