Schwarzites: Uzun zamandır aranan karbon yapısı grafen, fullerene ailesini birleştiriyor

Is This New Super Carbon Better Than Graphene? (Haziran 2019).

Anonim

Buckyball'ların keşfi, 1980'lerde kimyacıları şaşırttı ve mutlu etti, nanotüpler 1990'larda fizikçileri cazip hale getirdi ve grafen, 2000'li yıllarda materyalistleri suçladı, ancak bir schwarzite olarak adlandırılan negatif bir eğimli yüzey olan bir nano ölçekli karbon yapısı herkesi kızdırdı. Şimdiye kadar.

Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley, kimyacılar Güney Kore ve Japonya'daki bilim adamları tarafından yakın zamanda yaratılan üç karbon yapısının aslında araştırmacılar tarafından buckminsterfullerenes (buckyballs) 'da keşfedilenler gibi benzersiz elektrik ve depolama özelliklerine sahip olacağını tahmin eden uzun süredir devam eden schwarzitler olduğunu kanıtladılar. veya kısaca fullerenler), nanotüpler ve grafen.

Yeni yapılar, zeolitlerin gözenekleri içinde, silikon dioksitin kristal formları - kum - daha çok çamaşır deterjanlarında su yumuşatıcıları olarak kullanılmış ve petrolün benzin içine katalitik olarak çatlatılması için yapılmıştır. Zeolit-nitratlı karbonlar (ZTC) olarak adlandırılan yapılar, ilginç özellikler açısından araştırılıyordu, ancak yaratıcılar, on yıllardır teorik kimyagerlerin üzerinde çalıştıkları schwarzitler olarak kimliklerini bilmiyorlardı.

Bu teorik çalışmaya dayanarak, kimyagerler, schwarzitlerin, süper kapasitörler, akü elektrotları ve katalizörler olarak ve gaz depolama ve ayrıştırma için ideal geniş iç boşluklar olarak yararlı hale getirecek benzersiz elektronik, manyetik ve optik özelliklere sahip olacağını tahmin ederler.

UC Berkeley doktora sonrası araştırmacılarından Efrem Braun ve meslektaşları bu ZTC materyallerini negatif eğriliğinden yola çıkarak schwarzit olarak tanımlamışlar ve hangi zeolitlerin schwarzitleri yapmak için kullanılabileceğini tahmin edememişlerdir.

"Şu anda bu yapıların nasıl yapılacağına dair reçetemiz var, ki bu önemlidir, çünkü eğer bunları yapabilirsek, şu anda yapmaya çalıştığımız davranışlarını keşfedebiliriz, " diyerek, kimyasal ve profesör bir profesör olan Berend Smit UC Berkeley'de biyomoleküler mühendislik ve zeolitler ve metal-organik çerçeveler gibi gözenekli malzemeler konusunda uzman.

Gazetenin ilgili yazarı Braun ve İsviçre, Çin, Almanya, İtalya ve Rusya'daki meslektaşları Smit, bu hafta Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı'nda keşiflerini bildirecekler.

Karbon ile oynamak

Elmas ve grafit, saf karbonun iyi bilinen üç boyutlu kristalin düzenlemeleridir, fakat karbon atomları da, iki boyutlu "kristaller" oluşturabilirler - tavuk teli gibi desenli olan heksagonal düzenlemeler. Grafen böyle bir düzenlemedir: Yeryüzünde sadece en güçlü malzeme olan düz bir karbon atomu değil, aynı zamanda elektronik cihazların ümit verici bir bileşeni haline gelen yüksek bir elektrik iletkenliğine de sahiptir.

Grafen tabakaları, futbol topu şeklinde fullerenler oluşturmak için yukarı kaldırılabilir - molekülleri saklayabilen ve bugün ilaç ve genleri vücuda vermek için kullanılan küresel karbon kafesler. Grafenin bir silindire yerleştirilmesi, günümüzde nanotüpler olarak adlandırılan, elektronik ve depolama tankları olarak hidrojen ve karbon dioksit gibi gazlar için yüksek iletkenlikli teller olarak araştırılan fullerenler üretmektedir. Bunların hepsi insan saçı genişliğinden 10, 000 kat daha küçük mikroskopiktir.

Bununla birlikte, bugüne kadar sadece pozitif eğri fullerenler ve sıfır eğriliğe sahip olan grafen sentezlendi, sırasıyla 1996 ve 2010 yıllarında Nobel Ödülleri tarafından ödüllendirildi.

1880'lerde Alman fizikçi Hermann Schwarz sabun köpüğü yüzeylerini andıran negatif kavisli yapıları araştırdı ve 1990'larda karbon kafes molekülleri üzerindeki teorik çalışmalar yükseldiğinde, Schwarz'un adı hipotetik negatif kavisli karbon tabakalarına bağlandı.

Braun, "Schwarzitlerin deneysel validasyonu böylece olası eğriliklerin grafene triumvidasını tamamlar, pozitif kavisli, düz ve şimdi de negatif olarak kavislidir" diye ekledi.

Beni küçült

Tel çerçevelerdeki sabun kabarcıkları gibi, schwarzitler topolojik olarak minimum yüzeylerdir. Bir zeolit ​​içinde yapıldığında, karbon içeren moleküller buharı enjekte edilir ve böylece karbonun zeolit ​​içindeki gözeneklerin duvarlarını kaplayan iki boyutlu grafen benzeri bir tabakaya monte edilmesi sağlanır. Yüzeyi alanı en aza indirgemek için gergin bir şekilde gerilir, bu da tüm yüzeylerin bir eyer gibi eğrilmesini olumsuz yönde etkiler. Zeolit ​​daha sonra çözündürülür ve schwarzite geride kalır.

Braun, “Bu negatif kavisli karbonların kendi başlarına sentezlenmesi çok zordu, ama karbon filmini bir zeolitin yüzeyinde katalitik olarak büyütebiliyorsunuz” dedi. "Ama bugüne kadar sentezlenen schwarzitler zeolit ​​şablonlarını deneme yanılma yöntemiyle seçerek yapılıyor. Mantıklı bir şekilde schwarzitleri izleyebilmeniz için çok basit talimatlar veriyoruz ve doğru zeolit ​​seçerek, özellikleri optimize etmek için schwarzitleri ayarlayabileceğinizi gösteriyoruz. İstediğiniz."

Araştırmacılar, olağandışı büyük miktarlarda elektrik yükünü şwarzitlere paketleyebilmeli ve bu da bugün elektronikte kullanılan konvansiyonellerden daha iyi kapasitörler haline getirecektir. Geniş iç hacimleri, aynı zamanda fullerenler ve nanotüplerle araştırılan atomların ve moleküllerin depolanmasına da izin verecektir. Ve geniş yüzey alanı, içinde bulundukları zeolitlerin yüzey alanlarına eşdeğerdirler, petrol ve doğal gaz endüstrilerindeki reaksiyonları katalize etmek için onları zeolit ​​kadar çok yönlü hale getirebilirler.

Braun, ZTC yapılarını, bilinen zeolit ​​yapılarını kullanarak sayısal olarak modelledi ve Sion, İsviçre'deki École Polytechnique Fédérale de Lausanne'den topolojik matematikçi Senja Barthel ile çalıştı ve yapıların en az hangi yüzeylere benzediğini belirledi.

Ekip, bugüne kadar yaratılan yaklaşık 200 zeolitin sadece 15'inin schwarzitleri yapmak için bir şablon olarak kullanılabileceğini ve sadece üçünün de schwarzite ZTC'leri üretmek için kullanıldığını belirledi. Bununla birlikte, bir milyondan fazla zeolit ​​yapısı tahmin edilmiştir, bu yüzden zeolit-templasyon yöntemi kullanılarak yapılan çok daha fazla olası schwarzit karbon yapıları olabilir.

menu
menu