Schwarzites: โครงสร้างคาร์บอนที่ใช้เวลานานมาร่วมกับ graphene, ครอบครัว fullerene

Anonim

การค้นพบนักเคมีในช่วงทศวรรษที่ 1980 นักฟิสิกส์ของนักฟิสิกส์ที่เป็นนักฟิสิกส์แบบ nanotubes ในยุค 90 และนัก graphene ได้เรียกเก็บเงินจากนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุในยุค 2000 แต่โครงสร้างคาร์บอนหนึ่งอันซึ่งเป็นพื้นผิวโค้งดิ่งที่เรียกว่า schwarzite ได้คลี่คลายทุกคน จนถึงตอนนี้.

University of California, Berkeley นักเคมีได้พิสูจน์ให้เห็นว่าโครงสร้างของคาร์บอนที่เพิ่งสร้างขึ้นเมื่อไม่นานมานี้โดยนักวิทยาศาสตร์ในเกาหลีใต้และญี่ปุ่นเป็นนักวิจัยที่คาดการณ์ไว้ว่าจะมีสมบัติทางไฟฟ้าและการเก็บรักษาที่ไม่ซ้ำกันเช่นเดียวกับที่ค้นพบใน buckminsterfullerenes (buckyballs) หรือ fullerenes สั้น ๆ) nanotubes และ graphene

โครงสร้างใหม่ถูกสร้างขึ้นภายในรูขุมขนของซีโอไลต์รูปแบบผลึกของซิลิคอนไดออกไซด์ - ทรายซึ่งเป็นที่นิยมใช้กันมากที่สุดในฐานะน้ำยาลดน้ำในผงซักฟอกและเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับน้ำมันเบนซิน เรียกว่า zeolite-templated carbons (ZTC) โครงสร้างกำลังถูกตรวจสอบเพื่อหาคุณสมบัติที่น่าสนใจแม้ว่าผู้สร้างจะไม่ทราบถึงตัวตนของพวกเขาในฐานะนักช๊อปที่นักเคมีทฤษฎีได้ใช้มานานหลายทศวรรษแล้ว

จากผลงานทางทฤษฎีนี้นักเคมีคาดการณ์ว่าจะมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าและแม่เหล็กที่ไม่เหมือนใครซึ่งจะทำให้มีประโยชน์เช่น supercapacitors, ขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่และตัวเร่งปฏิกิริยาและมีพื้นที่ภายในที่ใหญ่เหมาะสำหรับการจัดเก็บและแยกก๊าซ

เพื่อนร่วมงาน UC Berkeley Efrem Braun และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ระบุว่าวัสดุ ZTC เหล่านี้เป็นวัสดุที่มีความโค้งเชิงลบและพัฒนาวิธีการทำนาย zeolites ที่สามารถนำมาใช้เพื่อทำให้ schwarzites และไม่สามารถทำได้

"ตอนนี้เรามีสูตรสำหรับการทำโครงสร้างเหล่านี้ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญเพราะถ้าเราสามารถทำมันได้เราสามารถสำรวจพฤติกรรมของพวกเขาซึ่งเรากำลังทำงานอย่างหนักเพื่อทำตอนนี้" Berend Smit ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านเคมีและ วิศวกรรมชีวกลศาสตร์ที่ UC Berkeley และผู้เชี่ยวชาญด้านวัสดุที่มีรูพรุนเช่น zeolites และโครงสร้างโลหะอินทรีย์

บราเดอร์และเพื่อนร่วมงานในสวิตเซอร์แลนด์จีนเยอรมนีอิตาลีและรัสเซียจะรายงานการค้นพบของพวกเขาในสัปดาห์นี้ในวารสาร Proceedings of the National Academy of Sciences

เล่นกับคาร์บอน

เพชรและแกรไฟต์คือการจัดเรียงผลึกสามมิติที่เป็นที่รู้จักกันดีของคาร์บอนบริสุทธิ์ แต่อะตอมของคาร์บอนยังสามารถสร้าง "คริสตัล" แบบสองมิติที่มีลวดลายเหมือนลวดไก่ แกรฟีนเป็นรูปแบบหนึ่งเช่นแผ่นอะตอมของคาร์บอนที่ไม่เพียง แต่เป็นวัสดุที่แข็งแรงที่สุดในโลกเท่านั้น แต่ยังมีการนำไฟฟ้าสูงซึ่งเป็นส่วนประกอบที่มีแนวโน้มของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

แผ่น Graphene สามารถปูกระเบื้องขึ้นเพื่อสร้างกรงคาร์บอนรูปทรงกลมที่มีรูปทรงกลมรูปลูกฟุตบอลที่สามารถจัดเก็บโมเลกุลและกำลังถูกนำมาใช้ในปัจจุบันเพื่อส่งมอบยาและยีนเข้าไปในร่างกาย การกลิ้ง graphene เข้าสู่กระบอกสูบจะทำให้เกิดฟูลเลอรีนที่เรียกว่า nanotubes ซึ่งกำลังมีการสำรวจในวันนี้ว่าเป็นตัวนำกระแสไฟฟ้าสูงในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และภาชนะสำหรับเก็บก๊าซเช่นไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ สิ่งเหล่านี้ล้วนมีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10, 000 เท่า

จนถึงวันนี้มีเพียงโน้น fullerenes โค้งและ graphene ซึ่งมีความโค้งเป็นศูนย์ซึ่งได้รับการสังเคราะห์และได้รับรางวัลโนเบลในปีพ. ศ. 2539 และปี 2553 ตามลำดับ

ในยุค 1880 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Hermann Schwarz ได้ตรวจสอบโครงสร้างโค้งที่มีลักษณะคล้ายกับฟองสบู่และเมื่องานทางทฤษฎีเกี่ยวกับโมเลกุลของกรงคาร์บอนสูงขึ้นในปี 1990 ชื่อ Schwarz ก็ติดอยู่กับแผ่นคาร์บอนที่มีลักษณะสมมุติฐานในทางลบ

"Braun เพิ่มความสามารถในการตรวจสอบของ schwarzites เพื่อให้ได้ความโค้งที่เป็นไปได้ของ graphene จึงเป็นเส้นโค้งที่โค้งมนมีลักษณะแบนราบ

ย่อเล็กสุดให้ฉัน

เช่นเดียวกับฟองสบู่บนเฟรมลวด schwarzites เป็นพื้นผิวที่เล็กที่สุดของทอพอโลยี เมื่อทำภายใน zeolite จะมีการฉีดไอโมเลกุลของโมเลกุลที่ประกอบด้วยคาร์บอนทำให้คาร์บอนสามารถประกอบเป็นแผ่น graphene แบบสองมิติที่เรียงรายผนังของรูพรุนใน zeolite พื้นผิวถูกยืดออกเพื่อลดความตึงเครียดของผิวซึ่งจะทำให้พื้นผิวโค้งหักเหทั้งหมดเช่นอาน ซีโอไลท์ละลายแล้วปล่อยทิ้งไว้หลัง schwarzite

Braun กล่าวว่า "เหล่านี้คาร์บอนที่มีความโค้งม้วนมีความยากในการสังเคราะห์ด้วยตัวเอง แต่มันกลับกลายเป็นว่าคุณสามารถพัฒนาฟิล์มคาร์บอนได้อย่างเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่พื้นผิวของซีโอไลต์" "แต่การสังเคราะห์แบบ Schwarzites จนถึงปัจจุบันได้ทำขึ้นโดยการเลือก Zeolite Template ผ่านการทดลองและข้อผิดพลาดเราให้คำแนะนำง่ายๆที่คุณสามารถปฏิบัติตามได้อย่างถูกต้องเหมาะสมเพื่อให้ Schwarzites และเราแสดงให้เห็นว่าโดยการเลือก Zeolite ที่ถูกต้องคุณสามารถปรับแต่ง Schwarzites เพื่อเพิ่มสมบัติ คุณต้องการ."

นักวิจัยควรจะสามารถเก็บประจุไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่ผิดปกติไปเป็นของเหลวได้ซึ่งจะทำให้พวกเขาเป็นตัวเก็บประจุที่ดีกว่าหลอดทั่วไปที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน ปริมาณภายในที่มีขนาดใหญ่ของพวกเขายังช่วยให้สามารถจัดเก็บอะตอมและโมเลกุลซึ่งกำลังถูกสำรวจด้วย fullerenes และ nanotubes และพื้นผิวที่มีขนาดใหญ่ของพวกเขาซึ่งเทียบเท่าพื้นที่ผิวของ zeolites ที่พวกมันโตขึ้นอาจทำให้พวกเขามีความหลากหลายเช่น zeolites เพื่อเร่งปฏิกิริยาในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมและก๊าซธรรมชาติ

Braun จำลองโครงสร้าง ZTC โดยคำนวณโดยใช้โครงสร้างที่รู้จักกันของซีโอไลต์และทำงานร่วมกับนักคณิตศาสตร์ด้านเทววิทยา Senja Barthel จากÉcole Polytechnique Fédérale de Lausanne ใน Sion ประเทศสวิสเซอร์แลนด์เพื่อตรวจสอบโครงสร้างพื้นผิวที่เล็กที่สุดที่คล้ายคลึงกัน

ทีมระบุว่าจากประมาณ 200 ซีโอไลต์ที่สร้างขึ้นจนถึงปัจจุบันมีเพียง 15 ชิ้นเท่านั้นที่สามารถใช้เป็นเทมเพลตในการทำ schwarzites และมีเพียง 3 รุ่นเท่านั้นที่ถูกนำมาใช้ในการผลิต ZTCs ของ Schwarzite มีการทำนายโครงสร้างของซีโอไลท์กว่าล้านตัวอย่างไรก็ตามอาจมีโครงสร้างคาร์บอน schwarzite ที่เป็นไปได้อีกหลายรูปแบบโดยใช้วิธีการแบบ zeolite-templating

menu
menu