I "nanofili di diamante" promettono proprietà straordinarie, tra cui resistenza e rigidità superiori a quelle dei nanotubi e dei polimeri più resistenti di oggi. Il nucleo dei nanofili è un lungo, sottile filamento di atomi di carbonio disposti proprio come l'unità fondamentale della struttura di un diamante:anelli "cicloesano" a zig-zag di sei atomi di carbonio legati insieme, in cui ogni carbonio è circondato da altri nella forte forma triangolare-piramidale di un tetraedro. I fili, realizzato per la prima volta da un team guidato da John V. Badding di Penn State, avere una struttura mai vista prima. Credito:Enshi Xu, Laboratorio Vincent H Crespi, Penn State
(Phys.org) — Per la prima volta, gli scienziati hanno scoperto come produrre "nanofili di diamante" ultrasottili che promettono proprietà straordinarie, tra cui resistenza e rigidità superiori a quelle dei nanotubi e dei polimeri più resistenti di oggi. Un documento che descrive questa scoperta da un gruppo di ricerca guidato da John V. Badding, un professore di chimica alla Penn State, è stato pubblicato nel numero del 21 settembre della rivista Materiali della natura .
"Da un punto di vista della scienza fondamentale, la nostra scoperta è intrigante perché i fili che abbiamo formato hanno una struttura mai vista prima, " Ha detto Badding. Il nucleo dei nanothread che il team di Badding ha realizzato è un lungo, sottile filamento di atomi di carbonio disposti proprio come l'unità fondamentale della struttura di un diamante:anelli "cicloesano" a zig-zag di sei atomi di carbonio legati insieme, in cui ogni carbonio è circondato da altri nella forte forma triangolare-piramidale di un tetraedro. "È come se un incredibile gioielliere avesse messo insieme i più piccoli diamanti possibili in una lunga collana in miniatura, "Badding ha detto. "Perché questo filo è un diamante nel cuore, ci aspettiamo che si dimostrerà straordinariamente rigido, straordinariamente forte, e straordinariamente utile."
La scoperta del team arriva dopo quasi un secolo di tentativi falliti da parte di altri laboratori di comprimere molecole separate contenenti carbonio come il benzene liquido in un formato ordinato, nanomateriale simile al diamante. "Abbiamo utilizzato il grande dispositivo Paris-Edimburgo ad alta pressione presso l'Oak Ridge National Laboratory per comprimere una quantità di benzene larga 6 millimetri, una quantità gigantesca rispetto agli esperimenti precedenti, " ha detto Malcolm Guthrie del Carnegie Institution for Science, un coautore del documento di ricerca. "Abbiamo scoperto che rilasciare lentamente la pressione dopo una compressione sufficiente a temperatura ambiente normale ha dato agli atomi di carbonio il tempo necessario per reagire tra loro e per collegarsi in una catena altamente ordinata di tetraedri di carbonio a filamento singolo, formando questi nanofili con nucleo di diamante".
Il team di Badding è il primo a convincere le molecole contenenti atomi di carbonio a formare la forte forma tetraedrica, quindi collega ogni tetraedro da un capo all'altro per formare un lungo, nanofilo sottile. Descrive la larghezza del filo come straordinariamente piccola, solo pochi atomi di diametro, centinaia di migliaia di volte più piccolo di una fibra ottica, enormemente più sottile di un capello umano medio. "La teoria del nostro coautore Vin Crespi suggerisce che questo è potenzialmente il più forte, materiale più rigido possibile, pur essendo leggero, " Egli ha detto.
La molecola che hanno compresso è il benzene, un anello piatto contenente sei atomi di carbonio e sei atomi di idrogeno. Il nanofilo di diamante risultante è circondato da un alone di atomi di idrogeno. Durante il processo di compressione, riferiscono gli scienziati, le molecole piatte di benzene si impilano insieme, piegarsi e spezzarsi. Quindi, mentre i ricercatori rilasciano lentamente la pressione, gli atomi si riconnettono in un modo completamente diverso ma molto ordinato. Il risultato è una struttura che ha carbonio nella configurazione tetraedrica del diamante con idrogeni sporgenti lateralmente e ciascun tetraedro legato con un altro per formare un lungo, magro, nanofilo.
"È davvero sorprendente che questo tipo di organizzazione avvenga, "Badding ha detto. "Che gli atomi delle molecole di benzene si leghino insieme a temperatura ambiente per formare un filo è scioccante per chimici e fisici. Considerando gli esperimenti precedenti, pensiamo che, quando la molecola di benzene si rompe sotto pressione molto elevata, i suoi atomi vogliono aggrapparsi a qualcos'altro ma non possono muoversi perché la pressione rimuove tutto lo spazio tra di loro. Questo benzene diventa quindi altamente reattivo in modo che, quando rilasciamo la pressione molto lentamente, avviene una reazione di polimerizzazione ordinata che forma il nanofilo di diamante".
Gli scienziati hanno confermato la struttura dei loro nanofili di diamante con una serie di tecniche a Penn State, Cresta della quercia, Arizona State University e la Carnegie Institution for Science, compresa la diffrazione dei raggi X, diffrazione di neutroni, spettroscopia Raman, calcoli del primo principio, microscopia elettronica a trasmissione e risonanza magnetica nucleare (NMR) allo stato solido. Parti di questi primi nanofili di diamante sembrano essere un po' meno che perfette, quindi migliorare la loro struttura è un obiettivo continuo del programma di ricerca di Badding. Vuole anche scoprire come farne di più. "Le alte pressioni che abbiamo usato per realizzare il primo materiale nanofilo di diamante limitano la nostra capacità produttiva a solo un paio di millimetri cubi alla volta, quindi non ne facciamo ancora abbastanza per essere utile su scala industriale, "Badding ha detto. "Uno dei nostri obiettivi scientifici è rimuovere questa limitazione scoprendo la chimica necessaria per realizzare questi nanofili di diamante in condizioni più pratiche".
Il nanofilo potrebbe anche essere il primo membro di una nuova classe di nanomateriali simili al diamante basati su un forte nucleo tetraedrico. "La nostra scoperta che possiamo utilizzare l'allineamento naturale delle molecole di benzene per guidare la formazione di questo nuovo materiale a nanofili di diamante è davvero interessante perché apre la possibilità di realizzare molti altri tipi di molecole a base di carbonio e idrogeno, "Badding ha detto. "È possibile collegare tutti i tipi di altri atomi attorno a un nucleo di carbonio e idrogeno. Il sogno è quello di poter aggiungere altri atomi che verrebbero incorporati nel nanofilo risultante. Pressurizzando qualunque liquido progettiamo, potremmo essere in grado di produrre un numero enorme di materiali diversi".
Credito:Enshi Xu, Laboratorio Vincent H Crespi, Penn State
Le potenziali applicazioni che interessano maggiormente a Badding sono quelle che verrebbero notevolmente migliorate avendo materiali rigidi e leggeri, specialmente quelli che potrebbero aiutare a proteggere l'atmosfera, compreso più leggero, veicoli più efficienti e quindi meno inquinanti. "Uno dei nostri sogni più sfrenati per i nanomateriali che stiamo sviluppando è che possano essere usati per creare dei super resistenti, cavi leggeri che renderebbero possibile la costruzione di un "ascensore spaziale", che finora è esistito solo come idea di fantascienza, "Ha detto Bad.
