Karbiin — kas uus maailma tugevaim materjal?

 (24)
Karbiin — kas uus maailma tugevaim materjal?
Foto: Vasilii Artyukhov/Rice University

Texase osariigis tegutseva Rice’i ülikooli uurijad on raalsimulatsiooni abil välja arvutanud, et karbiin (carbyne) —  ühemõõtmeline süsinikuaatomite ahel — on kaks korda tugevam süsinik-nanotorudest ja kolm korda tugevam teemandist.

Kui töö järeldused paika peavad ning materjali tootmisega seotud probleemid lahenduse leiavad, võib karbiin osutuda uskumatult kasulikuks, väga mitmekesise rakendustepaletiga materjaliks, kirjutab gizmag.

Nagu Forte lugejad tõenäoliselt kooli orgaanilise keemia tundidest mäletavad, on üheks süsinikuaatomi tähelepanuväärsemaks omaduseks selle suutlikkus luua mitut eri tüüpi sidemeid teiste aatomitega, k.a iseendaga. Ainuüksi süsinikuaatomite komplekside modifitseerimine võib anda tulemuseks suure hulga süsiniku erisuguseid vorme e nn allotroope grafiidist teemantideni ning uuemal ajal ka tehislikke teisendeid nagu buckminsterfullereen (e fullereenikerad), grafeen ja süsinik-nanotorud.

Seotud lood:

Karbiin e teisisõnu atsetüülitud lineaarne süsinik on veel üks süsiniku allotroopidest, milles vaheldumisi üksteisele järgnevad ühe- ja kolmekordsed aatomsidemed moodustavad sirgjoonelise ahela. Kuna ahel on ühe aatomi paksune „kett“, mitte ei moodusta tasapinda (nagu grafeen) ega õõnsaid torusid (nagu süsinik-nanotorud), peetakse seda tõeliselt ühemõõtmeliseks materjaliks. Teadlased on ammugi uskunud, et ühemõõtmelisus e monodimensionaalsus võib anda karbiinile erakordsed mehaanilised ja elektrilised omadused.

Karbiin ja selle omadused

Rice’i ülikooli füüsikateoreetik, keemia, tehnomehaanika ja materjaliõpetuse professor Boris Yakobson võttis koos oma töörühmaga eesmärgiks kirjeldada põhjalikumalt karbiini omadusi, kombineerides varasemate uuringute raames kogutud andmeid uue raalmudeliga.

Veendunud, et karbiin on toatemperatuuril stabiilne ja talub üldiselt hästi teiste lähedalasuvate karbiiniaatomi-ahelate vastastikmõjusid, õnnestus uurijail avastada karbiinil tõeliselt märkimisväärsed, senikirjeldamatud omadused.

Näiteks on selle ainulaadse materjali tõmbetugevus (e vastupidavus venitamisele) kaks korda suurem kui grafeenil. Raalmudeli kohaselt on karbiin ka grafeenist kaks ja teemandist kolm korda jäigem. Märkimist väärib avastus, et karbiini väändejäikust on iga süsinikuahela lõppu sobivate molekulide lisamisega võimalik muuta.

Vaata pilte ka siit:
cleantechnica.com

Prof Yakobsoni sõnul on karbiinil ka väga huvitavaid ja täiesti ainulaadseid elektrilisi karakteristikuid. Ahela kummassegi otsa on võimalik liita molekule, mis teevad materjalist eriti sobiliku energiatalletuskandja.

Selle keelutsooni (ingl energy gap) — olulist elektrilist omadust, mis määrab materjali elektrijuhtivuse — on võimalik lihtsalt ahelat kümne protsendi võrra venitades moduleerida 3,2 elektronvoldist 4,4 elektronvoldini. Lisaks sellele muutub karbiiniahel 90 kraadi võrra väänamisel magnetiliseks pooljuhiks.

Paraku kujutavad materjali omaduste väljaselgitamine ja nende praktiline rakendamine endast kaht väga erinevat ülesannet. Ehkki looduslikku karbiini on tuvastatud tähtedevahelises tolmus ja pressgrafiidis, on seda laboratoorsetes tingimustes väga keeruline tekitada. Seni on teadlastel õnnestunud luua vaid väga lühikesi, kuni 44 aatomi pikkuseid karbiiniahelaid.

Materjale kirjeldav uurimus ilmus ajakirja ACS Nano viimatises numbris.