Nanonici diamentowe mogą odmienić wiele branż - ale jak je stworzyć?

Nanonici diamentowe. Czym są i jak je stworzyć?

Wytrzymałe jak stal, ale elastyczne jak plastik. Nanonici diamentowe mogłyby zrewolucjonizować nasz świat, gdyby tylko nie były tak trudne do wytworzenia. Poczyniono jednak znaczne postępy w usprawnieniu tego procesu.

Zespół naukowców z Carnegie Science pod kierownictwem Samuela Dunninga i Timothy’ego Strobla opracował oryginalną technikę, która pozwala na uporządkowane tworzenie mocnych, a zarazem elastycznych nanonici diamentowych. Umożliwi ona ich syntezę, co przyczyni się do komercjalizacji materiału. Wyniki badań opublikowano w Journal of the American Chemical Society.

Nanonici diamentowe to ultracienkie, jednowymiarowe łańcuchy węglowe, dziesiątki tysięcy razy cieńsze od ludzkiego włosa. Powstają często w wyniku ściśnięcia ze sobą mniejszych pierścieni węglowych, tworząc ten sam rodzaj wiązania, który sprawia, że diamenty są najtwardszymi minerałami na naszej planecie. Zamiast trójwymiarowej siatki węglowej występującej w normalnym diamencie, krawędzie tych nici są „pokryte” wiązaniami węgiel-wodór, które nadają całej strukturze elastyczność.

Ponieważ nanonici mają te wiązania tylko w jednym kierunku, mogą się zginać i wyginać w sposób, w jaki zwykłe diamenty nie mogą.

Samuel Dunning

Do tej pory z tworzeniem nanonici diamentowych były same problemy. Jednym z największych wyzwań jest doprowadzenie do tego, aby atomy węgla reagowały w przewidywalny sposób. W nanoniciach wykonanych z benzenu i innych pierścieni sześcioatomowych każdy atom węgla może wchodzić w reakcje chemiczne z różnymi sąsiadami. Prowadzi to do wielu możliwych reakcji, które konkurują ze sobą, a także do wielu różnych konfiguracji nanorurek. Ta niepewność jest jedną z największych przeszkód, z jakimi borykają się naukowcy przy syntezie nanonici, w których można określić dokładną strukturę chemiczną.

Czytaj też: Diament nie z tego świata. Enigma trafi na aukcję

Zespół Dunninga ustalił, że dodanie azotu do pierścienia w miejsce węgla może pomóc w poprowadzeniu reakcji przewidywalną ścieżką. Pracę rozpoczęto od pirydazyny – sześcioatomowego pierścienia składającego się z czterech atomów węgla i dwóch atomów azotu. Naukowcy symulowali zachowanie cząsteczek pirydazyny pod wysokim ciśnieniem.

W naszym układzie wykorzystujemy dwa atomy azotu, aby usunąć dwa możliwe miejsca reakcji z układu pierścieniowego. To radykalnie zmniejsza liczbę możliwych reakcji.

Samuel Dunning

Po przeprowadzeniu kilku symulacji komputerowych, które wykazały udane tworzenie się nanonici pod wysokim ciśnieniem, naukowcy byli gotowi przenieść eksperyment do laboratorium. Pobrano kroplę pirydazyny i umieszczono ją w imadle diamentowym – urządzeniu, które umożliwia naukowcom wytwarzanie ekstremalnych ciśnień poprzez ściskanie próbek pomiędzy maleńkimi końcówkami tradycyjnych diamentów. Używając spektroskopii w podczerwieni i dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego, monitorowali zmiany w strukturze chemicznej pirydyny do wartości ciśnienia około 300 000 razy większego od normalnego ciśnienia atmosferycznego, stymulując tworzenie nowych wiązań. Kiedy to się udało, naukowcy zdali sobie sprawę, że stworzyli w laboratorium pierwszą nanonić diamentową z pirydazyną.

Nasza ścieżka reakcji prowadzi do powstania niewiarygodnie uporządkowanej nanonici. Możliwość włączenia innych atomów do szkieletu nanonici, kierowanie reakcją i zrozumienie środowiska chemicznego nanorurki pozwoli naukowcom zaoszczędzić bezcenny czas przy opracowywaniu technologii nanonici.

Samuel Dunning

Proces wykorzystania atomów niewęglowych do tworzenia nanonici, który Dunning nazywa „kierowaniem nicią”, jest znaczącym krokiem w kierunku przyszłości, w której naukowcy będą mogli w sposób przewidywalny tworzyć te materiały i wykorzystywać je do zaawansowanych zastosowań.