(Phys.org) —Carbyne sarà il più forte di una nuova classe di materiali microscopici se e quando qualcuno riuscirà a farcela alla rinfusa.

Se lo fanno, scopriranno che le nanotubi o le nanocorde di carbyne hanno una serie di proprietà notevoli e utili, come descritto in un nuovo articolo del fisico teorico della Rice University Boris Yakobson e del suo gruppo. Il documento appare questa settimana sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .

Il carbyne è una catena di atomi di carbonio tenuti insieme da doppi o alternati legami atomici singoli e tripli. Questo lo rende un vero materiale unidimensionale, a differenza dei fogli di grafene sottili come un atomo che hanno una parte superiore e una parte inferiore o i nanotubi cavi che hanno un interno e un esterno.

Secondo il ritratto tratto dai calcoli di Yakobson e del suo gruppo:

• La resistenza alla trazione di Carbyne - la capacità di resistere all'allungamento - supera "quella di qualsiasi altro materiale conosciuto" ed è doppia rispetto a quella del grafene. (Gli scienziati avevano già calcolato che ci sarebbe voluto un elefante su una matita per sfondare un foglio di grafene.)
• Ha una rigidità alla trazione doppia rispetto al grafene e ai nanotubi di carbonio e quasi tre volte quella del diamante.
• L'allungamento del carbyne di appena il 10 percento altera significativamente la sua banda proibita elettronica.
• Se dotato di maniglie molecolari alle estremità, può anche essere attorcigliato per alterare la sua banda proibita. Con una rotazione end-to-end di 90 gradi, diventa un semiconduttore magnetico.
• Le catene di carbyne possono assumere molecole laterali che possono rendere le catene adatte allo stoccaggio di energia.
• Il materiale è stabile a temperatura ambiente, reticolazione largamente resistente con catene vicine.

Questo è un notevole insieme di qualità per una semplice stringa di atomi di carbonio, ha detto Yakobson.

"Potresti guardarlo come un sottile nastro di grafene, ridotto a un solo atomo, o un nanotubo in definitiva sottile, " ha detto. Potrebbe essere utile per i sistemi nanomeccanici, nei dispositivi spintronici, come sensori, come materiali resistenti e leggeri per applicazioni meccaniche o per l'accumulo di energia.

"Indipendentemente dalle applicazioni, " Egli ha detto, "accademicamente, è molto eccitante conoscere l'assemblaggio di atomi più forte possibile".

In base ai calcoli, ha detto che il carbyne potrebbe essere lo stato energetico più alto per il carbonio stabile. "Le persone di solito cercano quello che viene chiamato lo 'stato fondamentale, ' la configurazione energetica più bassa possibile per gli atomi, " Yakobson ha detto. "Per il carbonio, sarebbe grafite, seguito da diamante, poi nanotubi, poi fullereni. Ma nessuno chiede la configurazione energetica più elevata. Pensiamo che possa essere questo, una struttura stabile alla massima energia possibile."

Le teorie sul carbyne sono apparse per la prima volta nel XIX secolo, e un'approssimazione del materiale è stata sintetizzata per la prima volta in URSS nel 1960. Da allora Carbyne è stato visto nella grafite compressa, è stato rilevato nella polvere interstellare ed è stato creato in piccole quantità da sperimentatori.

"Sono sempre stato interessato alla stabilità dei fili in definitiva sottili di qualsiasi cosa e quanto sottile si possa realizzare una barra da una determinata sostanza chimica, " Disse Yakobson. "Dieci anni fa avevamo un articolo sul silicio in cui esploravamo cosa succede ai nanofili di silicio man mano che si assottigliano. Per me, questa era solo una parte della stessa domanda."

I ricercatori del riso, guidato dallo studente laureato Rice Mingjie Liu e dal ricercatore post-dottorato Vasilii Artyukhov, erano a conoscenza di una serie di documenti che descrivevano una proprietà o l'altra di Carbyne. Hanno deciso di dettagliare il carbyne con modelli al computer usando le regole del primo principio per determinare le interazioni energetiche degli atomi, disse Artyuchov.

"La nostra intenzione era di mettere tutto insieme, costruire un quadro meccanico completo del carbyne come materiale, " disse Artyukhov. "Il fatto che sia stato osservato ci dice che è stabile sotto tensione, almeno, perché altrimenti cadrebbe a pezzi."

Yakobson ha detto che i ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che il band gap nel carbyne era così sensibile alla torsione. "Sarà utile come sensore di torsione o campi magnetici, se riesci a trovare un modo per attaccarlo a qualcosa che lo farà girare, " ha detto. "Non abbiamo cercato questo, nello specifico; è venuto fuori come un prodotto collaterale."

"Questo è il bello di studiare le cose con attenzione, " disse Artuchov.

Un'altra scoperta di grande interesse è stata la barriera energetica che impedisce agli atomi sulle catene di carbyne adiacenti di collassare l'uno nell'altro. "Quando parli di materiale teorico, bisogna sempre stare attenti a vedere se reagirà con se stesso, " ha detto Artyukhov. "Questo non è mai stato veramente indagato per carbyne."

La letteratura sembrava indicare che il carbyne "non era stabile e avrebbe formato grafite o fuliggine, " Egli ha detto.

Anziché, i ricercatori hanno scoperto che gli atomi di carbonio su stringhe separate potrebbero superare la barriera in un punto, ma la rigidità delle aste impedirebbe loro di riunirsi in una seconda posizione, almeno a temperatura ambiente. "Sembrerebbero ali di farfalla, " disse Artuchov.

"I fasci potrebbero attaccarsi l'uno all'altro, ma non crollerebbero del tutto, " ha aggiunto Yakobson. "Questo potrebbe rendere molto poroso, rete casuale che può essere buona per l'assorbimento." Artyukhov ha detto che l'area specifica nominale del carbyne è circa cinque volte quella del grafene.

Quando il documento del team è diventato disponibile quest'estate su arXiv, la stampa scientifica e persino parte della stampa popolare erano così entusiaste dei calcoli che hanno raccolto l'articolo e le sue implicazioni prima che il team lo sottoponesse a revisione paritaria. Ora che il documento completo è pronto per il consumo pubblico, i ricercatori hanno detto che porteranno la loro indagine in nuove direzioni.

Stanno esaminando in modo più rigoroso la conduttività del carbyne e stanno pensando anche ad altri elementi. "Abbiamo parlato di passare attraverso diversi elementi nella tavola periodica per vedere se alcuni di loro possono formare catene unidimensionali, "Ha detto Yakobson.