Ученые разработали более простой способ создания «гибких алмазов»
Методику, предсказывающую и направляющую создание прочных, но гибких алмазных нанонитей, разработала группа ученых во главе с Сэмюэлем Даннингом и Тимоти Стробелем из лаборатории Земли и планет Института науки Карнеги в Вашингтоне, 3 марта сообщают на сайте научно-технических новостей Phys.org.
Инновационная разработка упростит для ученых процесс синтеза алмазных нанонитей, что является важным шагом к промышленному использованию этого материала в будущем. Статья с результатами исследования была опубликована в Journal of the American Chemical Society.
В ней авторы отмечают, что алмазные нанонити, которые представляют собой одномерные наноматериалы, состоящие в основном из углеводородной цепи, обычно образуются в результате сжатия небольших молекул до высоких давлений. Хотя такие нанонити ранее уже были синтезированы другими учеными, управление путями реакции для производства материалов атомарной точности остается сложной задачей.
В алмазных нанонитях вместо трехмерной углеродной решетки, характерной для обычного алмаза, их края «закрыты» углеродно-водородными связями, которые делают всю структуру гибкой. Сэмюэль Даннинг пояснил: «Поскольку нанонити имеют эти связи только в одном направлении, они могут изгибаться так, как не могут обычные алмазы».
Исследователи предсказывают, что уникальные свойства таких углеродных нанонитей найдут применение в самых разнообразных областях техники: от создания космических лифтов, которые пока что относятся к области научной фантастики, до создания сверхпрочных тканей. Однако до сих пор ученым было трудно создать достаточное количество таких нанонитей, чтобы проверить их теоретически предсказанные сверхспособности.
Чтобы выполнить такую задачу, ученым было необходимо разобраться в структуре и характере сцепления нанонитей. И разработанный учеными из Института Карнеги метод направления нитей позволяет это делать, рассказал Даннинг.
В нанонитях из бензола и других шестиатомных колец каждый атом углерода может вступать в химические реакции с разными соседями, что приводит к множеству возможных реакций и множеству различных конфигураций нанонитей. Такая неопределенность является одним из самых больших препятствий, с которыми сталкиваются ученые при синтезе нанонитей с точной химической структурой.
Команда Даннинга установила, что добавление азота в ароматическое кольцо вместо углерода помогает направлять синтез по заданному пути. Для этого они создали компьютерную модель пиридазина — шестиатомного кольца, состоящего из четырех атомов углерода и двух атомов азота, для определения поведения молекул пиридазина при высоком давлении.
Удаление двух атомов углерода из кольцевой системы в модели резко сократило количество возможных реакций, и моделирование формирования нанонити при высоком давлении прошло успешно. После этого ученые перешли к лабораторным экспериментам.
Исследователи поместили каплю пиридазина в ячейку с алмазной наковальней. Такое устройство позволяет создавать экстремальные давления сжатием образцов между концами обычных алмазов и наблюдали, как изменяется химическая структура пиридазина при давлении в 300 000 раз выше атмосферного, образуя первую пиридазиновую алмазную нанонить, созданную в лаборатории.
Даннинг заявил: «Наш метод синтеза создает невероятно упорядоченную нанонить. Возможность включать другие атомы в основу нанонити, управлять реакцией и понимать химическую среду нанонити сэкономит исследователям бесценное время при разработке технологий изготовления нанонитей».
