Schwarzites: Dolgotrajna ogljikova struktura se pridružuje grafinu, družini fulerena

Printed schwarzites may be building material of the future (Junij 2019).

Anonim

Odkrivanje buckyballov je presenetilo in navdušilo kemike v osemdesetih letih prejšnjega stoletja, nanocevke fizikov, ki so jih dirkali v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, in grafene so zaračunavali materiale znanstvenikov v 2000-ih letih, vendar je ena nanosna ogljikova struktura - negativno ukrivljena površina, imenovana švarzit, Do zdaj.

Kemiki so pokazali, da so trije ogljikove strukture, ki so jih nedavno ustvarili znanstveniki v Južni Koreji in na Japonskem, v resnici dolgoletni švarziti, kar bodo predvidoma raziskovalci imeli edinstvene električne in shranjevalne lastnosti, kot so tiste, ki jih sedaj odkrivamo v buckminsterfullerenes (buckyballs ali fulereni za kratko), nanocevke in grafene.

Nove strukture so bile zgrajene v poreih zeolitov, kristalnih oblik silicijevega dioksida-peska, ki se bolj pogosto uporabljajo kot mehčalci vode v detergentih za pranje perila in katalitično razpoči nafto v bencin. Raziskovali so se strukture za morebitne zanimive lastnosti, ki so jih imenovali zeolit-templirane ogljike (ZTC), čeprav se ustvarjalci niso zavedali svoje identitete kot švarciti, za katere so teoretični kemiki delali že desetletja.

Na podlagi tega teoretičnega dela, kemiki napovedujejo, da bodo švarcite imeli edinstvene elektronske, magnetne in optične lastnosti, ki bi jih lahko uporabili kot supercapacitors, akumulatorske elektrode in katalizatorje ter z velikimi notranjimi prostori, idealnimi za shranjevanje in ločevanje plina.

Podoktorski učitelj UC Berkeley Efrem Braun in njegovi kolegi so te ZTC materiale označili kot švarcite, ki so temeljili na njihovi negativni ukrivljenosti, in razvili način, kako napovedati, kateri zeoliti se lahko uporabljajo za izdelavo švarcitov in ki jih ne morejo.

"Zdaj imamo recept, kako narediti te strukture, kar je pomembno, saj lahko, če jih lahko naredimo, lahko preučimo svoje vedenje, za kar trdo delamo, " pravi Berend Smit, dodatni profesor kemijskih in biomolekularno inženirstvo na UC Berkeley in strokovnjak za porozne materiale, kot so zeoliti in kovinski-organski okviri.

Smit, ustrezni avtor tega članka, Braun in njihovi kolegi v Švici, Kitajski, Nemčiji, Italiji in Rusiji bodo poročali o tem odkritju ta teden v reviji Zbornik Nacionalne akademije znanosti.

Igranje z ogljikom

Diamant in grafit sta dobro znana tridimenzionalna kristalinična ureditev iz čistega ogljika, vendar pa lahko atomi ogljika tvorijo dvodimenzionalne "kristale" - heksagonalne režime, vzorčene kot piščančja žica. Grafen je ena taka ureditev: ploski list ogljikovih atomov, ki ni le najmočnejši material na Zemlji, ampak ima tudi visoko električno prevodnost, ki je obetavna komponenta elektronskih naprav.

Liste grafena se lahko vlečejo v oblike nogavčkov, ki so v obliki nogavčkov, ki so v obliki sferičnih ogljikovodikov, ki lahko shranijo molekule in se danes uporabljajo za dajanje zdravil in genov v telo. Z valjanjem grafena v cilinder dobimo fulerene, imenovane nanocevke, ki se danes preiskujejo kot zelo prevodne žice v elektroniki in skladiščnih posodah za pline, kot so vodik in ogljikov dioksid. Vsi ti so podmikroskopski, 10.000 krat manjši od širine človeškega lasja.

Vendar pa so do zdaj sintetizirani samo pozitivno ukrivljeni fulereni in grafene, ki imajo nič ukrivljenosti, ki so jih nagrade prejele Nobelove nagrade v letih 1996 in 2010.

V 1880-ih je nemški fizik Hermann Schwarz preiskoval negativno ukrivljene strukture, ki so podobne površinam mehurčkov, in ko je teoretično delo na molekulih ogljikovih kletk naraslo v devetdesetih letih, se je Schwarzovo ime pridružilo hipotetičnim negativno ukrivljenim listom ogljika.

"Eksperimentalna validacija švarcitov tako zaključi triumvirat možnih ukrivljenosti za grafena, pozitivno ukrivljene, ravne in zdaj negativno ukrivljene, " je dodal Braun.

Zmanjšaj me

Kot mila na mufi na žičnih okvirjih so švarcite topološko minimalne površine. Ko je v notranjosti zeolita vbrizgana para molekul, ki vsebujejo ogljik, omogočajo, da se ogljik sestavi v dvodimenzionalen grafen podoben list, ki obdaja stene pore v zeolitu. Površina se raztegne tautno, da zmanjša njegovo območje, zaradi česar so vse površine krivine negativno, kot sedlo. Zeolit ​​se nato raztopi, pri čemer ostane švarzit.

"Ti negativno ukrivljeni ogljiki so bili zelo težko sintetizirati sami, vendar se izkaže, da lahko katalitično ogljikovo folijo raste na površini zeolita", je dejal Braun. "Toda švedski sintetizirani do sedaj so bili izdelani z izbiro vzorcev zeolita s poskusi in napakami. Zagotavljamo zelo preprosta navodila, ki jih lahko sledite, da racionalno izdelate švarcite, in dokazujemo, da z izbiro pravega zeolita lahko prilagodite švarcite, da optimizirate lastnosti ti hočeš."

Raziskovalci bi morali imeti možnost, da v schwarzite zapakirajo nenavadno velike količine električnega naboja, kar bi jih naredilo boljše kondenzatorje od običajnih, ki se danes uporabljajo v elektroniki. Njihova velika notranja prostornina bi omogočila tudi shranjevanje atomov in molekul, ki se prav tako proučujejo s fulereni in nanocevkami. In njihova velika površina, enakovredna površinam zeolitov, ki jih gojijo, bi jih lahko naredila kot vsestranski kot zeoliti za kataliziranje reakcij v industriji nafte in zemeljskega plina.

Braun je modeliral ZTC strukture, ki so računali z znanimi strukturami zeolitov in delali s topološkim matematikom Senja Barthel iz École Polytechnique Fédérale de Lausanne v Sionu v Švici, da bi ugotovili, katere od minimalnih površin so podobne strukturam.

Ekipa je ugotovila, da je od približno 200 zeolitov, ki so bili ustvarjeni do danes, le 15 lahko uporabili kot predlogo za izdelavo švarcitov in samo trije so bili do sedaj uporabljeni za izdelavo schwarzite ZTC. Vendar pa je bilo predvidenih več kot milijon zeolitnih struktur, zato bi lahko obstajale še veliko več možnih ogljikovih struktur s karbonitom, izdelanih po metodi zlepitve zeolita.

menu
menu