Il carbonio elementare appare in molte forme, compreso il diamante, fullereni e grafene, che hanno una struttura unica, elettronico, meccanico, trasporto e proprietà ottiche che offrono un'ampia gamma di applicazioni in fisica, chimica e scienza dei materiali. Questi includono materiali compositi, dispositivi a emissione di luce su nanoscala e materiali per la raccolta di energia.

All'interno della "famiglia del carbonio, "solo carbyne, una forma veramente unidimensionale di carbonio, non è stato ancora sintetizzato nonostante sia stato studiato per più di 50 anni. La sua estrema instabilità in condizioni ambientali ha reso difficile la prova sperimentale finale della sua esistenza. Una collaborazione internazionale di ricercatori ha sviluppato un nuovo percorso per la produzione in serie di catene di carbonio composte da più di 6, 400 atomi di carbonio utilizzando sottili, nanotubi di carbonio a doppia parete come ospiti protettivi per le catene.

Questi risultati sono pubblicati sulla rivista Materiali della natura e rappresentano un elegante precursore verso l'obiettivo finale della produzione di massa di carbyne. Oltre alle potenziali applicazioni, questi risultati aprono la possibilità di rispondere a domande fondamentali sulle correlazioni elettroniche, interazioni elettrone-fonone e transizioni di fase quantistiche in materiali unidimensionali.

Anche nella sua forma elementare, l'elevata versatilità di legame del carbonio produce molti materiali noti tra cui diamante e grafite. Un singolo strato di grafite, chiamato grafene, possono essere arrotolati o piegati in nanotubi di carbonio o fullereni, rispettivamente. Ad oggi, Premi Nobel sono stati assegnati per il lavoro fondamentale sia sul grafene (2010) che sui fullereni (1996). Sebbene l'esistenza del carbonio acetilenico lineare, una catena di carbonio infinitamente lunga chiamata anche carbyne, fu proposto nel 1885 da Adolf von Baeyer, che ha ricevuto un premio Nobel per i suoi contributi complessivi alla chimica organica nel 1905, gli scienziati non sono ancora stati in grado di sintetizzare questo materiale. Von Baeyer ha persino suggerito che il carbyne sarebbe rimasto inafferrabile, poiché la sua elevata reattività porterebbe sempre alla sua distruzione immediata. Tuttavia, catene di carbonio di lunghezza crescente sono state sintetizzate con successo negli ultimi 50 anni.

Finora, il detentore del record è una catena composta da circa 100 atomi di carbonio (2003). Questo record è stato ora superato di un fattore superiore a 50 con la prima dimostrazione di catene su scala micrometrica, segnalato in Materiali della natura oggi. I ricercatori dell'Università di Vienna guidati da Thomas Pichler hanno sviluppato un approccio nuovo e semplice per stabilizzare le catene di carbonio con una lunghezza record superiore a 6, 400 atomi di carbonio.

Usano lo spazio ristretto all'interno di un nanotubo di carbonio a doppia parete come nanoreattore per far crescere catene di carbonio ultra lunghe su larga scala. L'esistenza delle catene è stata inequivocabilmente confermata dall'utilizzo di una moltitudine di sofisticati, metodi complementari. Questi includono l'uso dipendente dalla temperatura, spettroscopia Raman di campo vicino e lontano con diversi laser (per lo studio delle proprietà elettroniche e vibrazionali), spettroscopia elettronica di trasmissione ad alta risoluzione (per l'osservazione diretta del carbyne all'interno dei nanotubi di carbonio) e scattering di raggi X (per la conferma della crescita della catena di massa). "La prova sperimentale diretta di catene di carbonio lineari ultra lunghe confinate, che sono due ordini di grandezza più lunghi delle catene più lunghe provate finora, sono un passo promettente verso l'obiettivo finale di svelare il Santo Graal dei veri allotropi di carbonio 1D, carabina, " spiega Lei Shi, primo autore del saggio.

Carbyne è molto stabile all'interno di nanotubi di carbonio a doppia parete. Questa proprietà è cruciale per la sua eventuale applicazione in materiali e dispositivi futuri. Secondo modelli teorici, le proprietà meccaniche del carbyne superano tutti i materiali conosciuti, superando sia il grafene che il diamante (ad esempio, è 40 volte più rigido del diamante, due volte più rigido del grafene e ha una maggiore resistenza alla trazione rispetto a tutti gli altri materiali in carbonio).

Le proprietà elettriche di Carbyne dipendono dalla lunghezza della catena unidimensionale, suggerendo così nuove applicazioni nanoelettroniche nel trasporto di spin quantistico e nei semiconduttori magnetici, oltre al suo fascino generale in fisica e chimica. "Questo lavoro ha fornito un esempio di una collaborazione molto efficiente e fruttuosa tra esperimenti e teoria al fine di svelare e controllare le proprietà elettroniche e meccaniche di materiali a base di carbonio. Ha portato alla sintesi e alla caratterizzazione della catena di carbonio lineare più lunga di sempre. Questi risultati forniscono il banco di prova di base per studi sperimentali riguardanti la correlazione elettronica e le transizioni di fase quantistiche dinamiche in geometrie confinate che prima non erano possibili. Per di più, le proprietà meccaniche ed elettroniche del carbyne sono eccezionali e suggeriscono una ricchezza di nuove possibilità per la progettazione di dispositivi nanoelettronici e optomeccanici, " conclude Angelo Rubio.