Новая форма чистого углерода поражает своим потенциалом

По словам исследователей, «счастливая случайность» привела к появлению новой стабильной формы чистого углерода из дешевого сырья.

Подобно алмазу и графену, двум другим видам углерода, новый материал обладает необычайными физическими свойствами. Он тверже нержавеющей стали, примерно такой же проводящий и отражающий, как зеркально отполированный алюминий. Возможно, самое удивительное то, что вещество кажется ферромагнитным и ведет себя как постоянный магнит при температурах до 125 ° C - что уникально для углерода. Открытие, сделанное физиком Джоэлем Терриеном из Университета Массачусетса, может привести к появлению легких покрытий, медицинских изделий и новых электронных устройств.

Новый углеродный материал

Выступление Терриена вызвало бурное обсуждение среди десятков исследователей. «Как только работа будет опубликована, она наверняка вызовет большой интерес», - говорит Цянь Ван, физик из Пекинского университета. В работе говорится, что углерод намного легче, чем другие ферромагнитные элементы, такие как марганец, никель и железо. Кроме того, углерод не токсичен для организма, говорит она. «Если материал может быть магнитным, он может быть очень полезным для создания биосенсоров или носителей для доставки лекарств».

Роберт Уиттен, специалист по материалам из Университета Северной Аризоны, говорит, что «фактически убедил исследователей в том, что у них есть что-то уникальное». Он вспоминает, что в середине 1980-х годов, когда ученые впервые создали сферы «бакиболл» (фуллерен), состоящие из 60 атомов углерода, «чувствовался скептицизм, несмотря на все доказательства».

Исследователи сделали тонкие пленки из нового материала, который они изучили с помощью электронных микроскопов и рентгеновских спектрометров. Другие исследователи говорят, что до сих пор не видели никаких признаков примесей, которые могли бы объяснить свойства материала. Основываясь как на теоретических моделях, так и на аналитических данных, они полагают, что материал состоит из гофрированных слоев связанных атомов углерода, уложенных в виде стиральных досок, с дополнительными связями между слоями.

Сумио Иидзима, эксперт по наноматериалам университета Мейхо в Нагое, Япония, известный своим открытием в 1991 году углеродных нанотрубок, еще одного углеродного «аллотропа», говорит, что представленные ограниченные данные «недостаточны», чтобы убедить его в том, что найден новый аллотроп.  Он хочет, чтобы команда выполнила рентгеновскую кристаллографию, что необходимо для определения структуры на больших образцах.

Терриен говорит, что открытие произошло в результате неудачной попытки синтезировать пентаграфен, лист атомов углерода, связанных в пятиугольные кольца, который был смоделирован, но никогда не создавался. Его идея состояла в том, чтобы использовать технику, известную как «геометрическая фрустрация».

После двух лет экспериментов команда смогла создать вещество в пленках толщиной до 1 микрона и шириной в несколько сантиметров. Модели молекулярной динамики предсказывают, что атомы углерода образуют гофрированные слои, покрытые 6- или 12-атомными кольцами и связанные между собой ковалентными связями. Графит, напротив, состоит из плоских углеродных слоев, которые свободно скользят друг по другу.

Данные рентгеновского и электронного микроскопов подтверждают предсказанную структуру. Эти данные также подтвердили что связи в материале образованы общими гибридизацией орбиталей атомов - то, что химики называют связями sp2 и sp3. Связи sp2 оставляют электроны «не вовлеченными ни в какую связь и не висят», что облегчает их выравнивание. «Это дает ферромагнетизм».

Терриен продемонстрировал магнетизм, показав видеозапись с хлопьями миллиметрового размера, взвешенными в капле воды. Пока он медленно махал маленькому стержневому магниту над водой, хлопья следовали за ним взад-вперед. Еще более привлекательным является его утверждение о том, что материал остается магнитным даже при повышенных температурах, при которых обычно работают двигатели и компьютеры.

Магнетизм - только одно из ряда свойств, которые никогда прежде чистый углерод не имел. Они включают в себя огромную твердость, которая, по-видимому, является результатом соединения слоев: «Мы пытались поцарапать его стальной ватой, на она оставалась чистой», - говорит Терриен. «Единственное, что мы можем с уверенностью сказать, что поцарапать его можно только алмазом».

Также материал имеет зеркальную поверхность. Измерения команды показывают, что пленка, даже когда ее толщина составляет всего 50 нанометров, отражает более 90% входящего света на длинах волн от дальнего ультрафиолетового до среднего инфракрасного излучения. Этот атрибут может сделать его полезным отражающим покрытием, более долговечным, чем стандартный алюминий, для зеркал в камерах и телескопа.

Его электропроводность оказалась не такой высокой, как у нержавеющей стали. Но он также может иметь другие электрические свойства. Отжиг материала путем медленного нагревания до 1000 ° C ослабляет его блеск и превращает его в полупроводник с шириной запрещенной зоны (энергией, необходимой для высвобождения электронов) аналогичной аморфному кремнию, который может превращать свет в электричество. Это делает его подходящим материалом для фотоэлектрических элементов, предполагает Терриен.

Группа еще не определилась с названием загадочного материала. Рабочее название U-углерод, где U означает уникальный. Но Терриен, вдохновленный средневековыми алхимиками, называет его адамантией. опубликовано econet.ru по материалам sciencemag.org

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet