Eine einfachere Möglichkeit, „flexible Diamanten“ zu erstellen

So hart wie Diamant und so flexibel wie Kunststoff, die begehrten Diamant-Nanofäden könnten unsere Welt revolutionieren – wenn sie nicht so schwierig herzustellen wären.

Kürzlich entwickelte ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Samuel Dunning und Timothy Strobel von Carnegie eine originelle Technik, die die geordnete Erzeugung von starken, aber flexiblen Diamant-Nanofäden vorhersagt und steuert und mehrere bestehende Herausforderungen überwindet. Die Innovation wird es Wissenschaftlern erleichtern, die Nanofäden zu synthetisieren – ein wichtiger Schritt, um das Material in Zukunft auf praktische Probleme anzuwenden. Die Arbeit wurde kürzlich im veröffentlicht Zeitschrift der American Chemical Society.

Diamant-Nanofäden sind ultradünne, eindimensionale Kohlenstoffketten, zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar. Sie werden oft hergestellt, indem kleinere Ringe auf Kohlenstoffbasis zusammengepresst werden, um die gleiche Art von Bindung zu bilden, die Diamanten zum härtesten Mineral auf unserem Planeten macht.

Anstelle des 3D-Kohlenstoffgitters eines normalen Diamanten sind die Kanten dieser Fäden jedoch mit Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen „abgedeckt“, die die gesamte Struktur flexibel machen.

Dunning erklärt: „Da die Nanofäden diese Bindungen nur in einer Richtung haben, können sie sich auf eine Weise biegen und biegen, wie es normale Diamanten nicht können.“

Wissenschaftler sagen voraus, dass die einzigartigen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanofäden eine Reihe nützlicher Anwendungen haben werden, von der Bereitstellung von Sci-Fi-ähnlichen Gerüsten für Weltraumaufzüge bis zur Herstellung ultrastarker Stoffe. Wissenschaftler hatten jedoch Schwierigkeiten, genügend Nanofadenmaterial herzustellen, um ihre vorgeschlagenen Superkräfte tatsächlich zu testen.

„Wenn wir Materialien für bestimmte Anwendungen entwerfen wollen“, sagt Dunning, „ist es für uns unerlässlich, die Struktur und Bindung der Nanofäden, die wir herstellen, genau zu verstehen.

Eine der größten Herausforderungen besteht darin, die Kohlenstoffatome dazu zu bringen, auf vorhersagbare 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 Nanofadenkonfigurationen. 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 stellte fest, dass die Zugabe von Stickstoff zum Ring anstelle von Kohlenstoff dazu beitragen könnte, die Reaktion auf einen vorhersagbaren Weg zu lenken. Sie entschieden sich, ihre Arbeit mit Pyridazin zu beginnen – einem Ring aus sechs Atomen, der aus vier Kohlenstoffatomen und zwei Stickstoffatomen besteht – und begannen mit der Arbeit an einem Computermodell. Dunning arbeitete mit Bo Chen vom Donostia International Physics Center und Li Zhu, Assistant Professor bei Rutgers and Carnegie Alum, zusammen, um zu simulieren, wie sich Pyridazinmoleküle bei hohem Druck verhalten.

„In unserem System verwenden wir zwei Stickstoffatome, um zwei mögliche Reaktionsorte aus dem Ringsystem zu entfernen. Das reduziert die Zahl der möglichen Reaktionen drastisch“, sagt Dunning.

Nachdem sie mehrere Computersimulationen durchgeführt hatten, die die erfolgreiche Bildung von Nanofäden bei hohem Druck zeigten, waren sie bereit, das Experiment ins Labor zu bringen.

Das Team nahm einen Tropfen Pyridazin und lud ihn in eine Diamantambosszelle – ein Gerät, mit dem Wissenschaftler extreme Drücke erzeugen können, indem sie Proben zwischen den winzigen Spitzen traditionellerer Diamanten komprimieren. Unter Verwendung von Infrarotspektroskopie und Röntgenbeugung überwachten sie Veränderungen in der chemischen Struktur des Pyridazins bis zum etwa 300.000-fachen des normalen atmosphärischen Drucks und suchten nach der Bildung neuer Bindungen.

Als sie sahen, wie sich Bindungen bildeten, erkannten sie, dass sie den ersten Pyridazin-Diamant-Nanofaden im Labor erfolgreich vorhergesagt und erzeugt hatten.

„Unser Reaktionsweg erzeugt einen unglaublich geordneten Nanofaden“, sagte 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 unschätzbare Zeit bei der Entwicklung der Nanofaden-Technologie sparen.“

Dieser Prozess der Verwendung dieser Nicht-Kohlenstoffatome zur Lenkung der Bildung von Nanofäden, den Dunning als „Fadenlenkung“ bezeichnet, ist ein bedeutender Schritt in Richtung einer Zukunft, in der Wissenschaftler diese Materialien vorhersagbar herstellen und für fortschrittliche Anwendungen verwenden können. Nachdem diese Synthesestrategie nun entdeckt wurde, plant Dunning, die vielen möglichen Nanofaden-Vorläufer zu identifizieren und zu testen.

Er kann es auch kaum erwarten, die Pyridazin-Nanofäden auf Herz und Nieren zu prüfen.

Dunning schloss: „Jetzt, da wir wissen, dass wir dieses Material herstellen können, müssen wir damit beginnen, genug zu produzieren, um genug zu lernen, um mechanische, optische und elektronische Eigenschaften zu bestimmen.“