Fullertubes:Εξερευνώντας το δυναμικό των νέων κρυστάλλων άνθρακα

Η επανάσταση του buckminsterfullerene δεν ήρθε ποτέ, αλλά ορισμένοι ερευνητές διερευνούν με ανυπομονησία τις ιδιότητες των κρυστάλλων άνθρακα που βρέθηκαν πρόσφατα, γνωστοί ως fullertubes.

Οι κρύσταλλοι άνθρακα που εντοπίστηκαν πρόσφατα πληρούν τον γεωμετρικό κανόνα ότι 12 πεντάγωνα και ένας ζυγός αριθμός εξαγώνων μπορούν να σχηματίσουν ένα κλειστό κέλυφος.

Ruth Yaro για το περιοδικό Quanta

Εισαγωγή

Ο άνθρακας μπορεί να τακτοποιηθεί σε ένα από τα πιο σκληρά υλικά στη φύση ή σε ένα τόσο μαλακό που τα παιδιά χαράζουν τα ίχνη του σε χαρτί. Πριν από αρκετές δεκαετίες, οι επιστήμονες άρχισαν να αναρωτιούνται:Εκτός από το διαμάντι και τον γραφίτη, ποιες άλλες κρυσταλλικές μορφές μπορεί να πάρει ο άνθρακας;

Το 1985 είχαν την πρώτη τους απάντηση. Μια ομάδα χημικών ανακάλυψε μικρές κοίλες σφαίρες κατασκευασμένες από 60 άτομα άνθρακα που ονόμασαν buckminsterfullerenes, ή buckyballs ή φουλλερένια για συντομία. (Οι κρύσταλλοι έμοιαζαν με γεωδαιτικούς θόλους, που διαδόθηκε από τον αρχιτέκτονα R. Buckminster Fuller.) Ένα νέο πεδίο χημείας ξεπήδησε γύρω από τις σφαίρες πλάτους νανομέτρων, καθώς οι ερευνητές αγωνίστηκαν για να ανακαλύψουν ιδιότητες και εφαρμογές αυτού που ονομάζεται το πιο όμορφο μόριο.

Βρέθηκαν μεγαλύτερα φουλερένια. Στη συνέχεια, λίγα χρόνια αργότερα, ένα χαρτί του Ιάπωνα φυσικού Sumio Iijima προκάλεσε το ενδιαφέρον για μια σχετική μορφή άνθρακα, που αρχικά ονομάστηκαν buckytubes αλλά τώρα είναι γνωστοί ως νανοσωλήνες άνθρακα:κοίλοι κύλινδροι κατασκευασμένοι από ένα κυψελωτό πλέγμα ατόμων άνθρακα που τυλίγεται σαν σωλήνας χαρτιού υγείας.

Οι κρύσταλλοι άνθρακα είχαν ένα φάσμα ηλεκτρικών, χημικών και φυσικών ιδιοτήτων που κανένα άλλο στοιχείο δεν φαινόταν να ταιριάζει. Ο ενθουσιασμός γύρω από τη νανοεπιστήμη του άνθρακα ήταν ακόμη υψηλότερος όταν τρεις από τους ανακαλυπτές των buckyballs, οι Robert Curl, Harold Kroto και Richard Smalley, έλαβαν το Νόμπελ Χημείας το 1996. Στη συνέχεια, το 2004, οι φυσικοί Andre Geim και Konstantin Novoselov βρήκαν έναν τρόπο να απομονώσουν επίπεδα φύλλα ατόμων άνθρακα - έναν κρύσταλλο γνωστό ως γραφένιο - πυροδοτώντας μια άλλη έκρηξη της έρευνας που έχει διατηρηθεί από τότε και κερδίζοντας το Νόμπελ Φυσικής του 2010.

Πρόσφατα, οι χημικοί ανακάλυψαν έναν άλλο τύπο κρυστάλλου άνθρακα — αυτή τη φορά, με πολύ λιγότερες φανφάρες. Οι περισσότεροι από τους εμπειρογνώμονες άνθρακα που ήρθαν σε επαφή για αυτήν την ιστορία δεν το είχαν ακούσει ακόμα. Και μέχρι στιγμής, ολόκληρη η παγκόσμια προσφορά ανέρχεται πιθανώς σε χιλιοστόγραμμα, περίπου τη μάζα μιας χούφτας οικιακών μυγών.

Ο Steven Stevenson, χημικός στο Πανεπιστήμιο Purdue, κρατά περήφανα ένα μοντέλο ενός fullertube, ένα είδος κρυστάλλου άνθρακα που ανακάλυψε το 2020.

Ruth Yaro για το περιοδικό Quanta

Αυτές οι νεότερες δομές άνθρακα εμπίπτουν κάπου μεταξύ σφαιρικών φουλερενίων και κυλινδρικών νανοσωλήνων. είναι «ένας γάμος νανοκλίμακας» των δύο που έχει το σχήμα μιας ιατρικής κάψουλας, σύμφωνα με τον Χάρι Ντορν, χημικό στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο της Βιρτζίνια και το State University που συνεργάζεται με τον Στίβεν Στίβενσον του Πανεπιστημίου Πέρντιου, τον αρχικό ανακάλυψε τα μόρια. Ο Stevenson και ο Dorn έχουν ονομάσει τους κρυστάλλους fullertubes.

Οι Fullertubes συνδυάζουν τα καλύτερα χαρακτηριστικά φουλερενίων και νανοσωλήνων. Ή το χειρότερο από τα δύο. Ή ίσως λίγο από τα καλά και τα κακά από το καθένα - εξαρτάται από το ποιον ρωτάτε. Το πώς ή αν οι ιδιότητές τους θα είναι χρήσιμες μένει να φανεί. Είναι ένα μέρος που έχουμε ξαναπάει, και αναμφισβήτητα είναι ακόμα, με διάσημους συγγενείς άνθρακα των fullertubes.

Εξόρυξη για Fullertubes

Το κέντρο του κόσμου του fullertube είναι ένα χημικό εργαστήριο στο μέγεθος ενός καθιστικού στο Purdue's Fort Wayne, στην πανεπιστημιούπολη της Ιντιάνα. Εκεί, ο Στίβενσον και το μικρό κλιμάκιο των προπτυχιακών του συλλέγουν και ταξινομούν τα νέα μόρια, τα οποία αποτελούνται από ημισφαιρικά καλύμματα στα άκρα κυλίνδρων διαφορετικού πλάτους και μηκών.

Το 2020, ο Stevenson και οι συνεργάτες του ανακοίνωσαν το πρώτο μέλος της οικογένειας των fullertube, ένα μόριο 90 ατόμων που είναι ουσιαστικά τα δύο μισά ενός buckyball που συνδέονται με ένα μεσαίο τμήμα νανοσωλήνων 30 ατόμων. Βρήκαν το μόριο μαζί με δύο μεγαλύτερα αδέρφια που αποτελούνται από 96 και 100 άτομα άνθρακα, αντίστοιχα.

Φέτος, ο Stevenson και ο Dorn περιέγραψαν δύο ακόμη γεμάτους σωλήνες, που αποτελούνταν και οι δύο από 120 άτομα άνθρακα. Οι μελέτες τους δείχνουν ότι το στενότερο από αυτά τα μόρια σε σχήμα χαπιού είναι ηλεκτρικά αγώγιμο, ενώ το φαρδύτερο, πιο κοντό είναι —περίεργα— ένας ημιαγωγός, που σημαίνει ότι θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί για τρανζίστορ και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές. Οι Fullertubes έχουν επίσης μια σειρά από οπτικές και εφελκυστικές ιδιότητες που οι ερευνητές εξακολουθούν να εξερευνούν.

Merrill Sherman/Quanta Magazine

Merrill Sherman/Quanta Magazine

Ο James Heath του Ινστιτούτου Συστημάτων Βιολογίας στο Σιάτλ, ο οποίος βοήθησε στην απομόνωση των πρώτων φουλερενίων ως μεταπτυχιακός φοιτητής που εργαζόταν με τον Curl and Smalley το 1985, ονόμασε τους νέους fullertubes «υπέροχες δομές» που ακολουθούν τον ίδιο γεωμετρικό κανόνα που οδήγησε τον ίδιο και τους συναδέλφους του να ψάξουν για φουλερένια αρχικά:τον κανόνα ότι το 12γωνο μπορεί να είναι άρτιος αριθμός. (Οι Buckyballs, για παράδειγμα, έχουν το ίδιο σχέδιο εξαγώνων και πενταγώνων με μια μπάλα ποδοσφαίρου. Τα Fullertubes διατηρούν τον κανόνα ενώ προσθέτουν επιπλέον ζώνες εξαγώνων.)

Τα μόρια ήταν κάτω από τη μύτη των χημικών για χρόνια, κρυμμένα στην ίδια ειδική αιθάλη άνθρακα που ήταν εδώ και καιρό η κύρια πηγή φουλερενίων. Αλλά το 2020, ο Στίβενσον τελικά κατάλαβε πώς να ξεχωρίσει τις σωληνοειδείς κάψουλες μεταξύ των πολύ πιο άφθονων φουλερενίων. Η «μαγική» διαδικασία, όπως την αποκαλεί, είναι να «αντιδράμε οτιδήποτε σφαιρικό. Έτσι διαχωρίζουμε τις μπάλες από τους σωλήνες».

Η ειδική αιθάλη συνήθως παράγεται με εξάτμιση άνθρακα από ράβδους γραφίτη μέσα σε ένα θάλαμο. Καθώς ο ατμός άνθρακα ψύχεται στα τοιχώματα του θαλάμου, μεγάλο μέρος του συμπυκνώνεται σε φουλλερένια, αλλά σχηματίζονται επίσης σπάνιοι σωλήνες, πασπαλισμένοι σαν πολύτιμοι λίθοι σε ένα βουνό σκωρίας. Το μαγικό κόλπο του Stevenson βασίζεται σε υδατοδιαλυτά μόρια γνωστά ως αμίνες. Αυτά έλκονται από μέρη όπου οι εξαγωνικές διατάξεις ατόμων άνθρακα συνδέονται με πενταγωνικές διατάξεις - διασταυρώσεις που εμφανίζονται σε όλα τα φουλερένια. Οι νανοσωλήνες, από την άλλη πλευρά, δεν είναι ελκυστικοί για τις αμίνες επειδή διαθέτουν μόνο εξάγωνα και οι πλήρεις σωλήνες προστατεύονται εν μέρει από τις αμίνες λόγω των ενδιάμεσων τμημάτων τους νανοσωλήνων. Έτσι, ενώ οι αμίνες συνδέονται με τα φουλλερένια, καθιστώντας τα διαλυτά στο νερό, οι πλήρεις σωλήνες που δεν αντέδρασαν παραμένουν αδιάλυτοι. Ο Stevenson μπορεί απλώς να ξεπλύνει τα φουλλερένια, αφήνοντας πίσω τους γεμάτους σωλήνες.

Στη συνέχεια, τρέχει τα εμπλουτισμένα με fullertube δείγματά του μέσω μηχανών που διαχωρίζουν τα μόρια με βάση τη μάζα και τις λεπτές χημικές διαφορές τους, αποδίδοντας καθαρές συλλογές από γεμάτους σωλήνες με ομοιόμορφες μάζες, σχήματα και ιδιότητες.

Η διαδικασία εξόρυξης fullertube ξεκινά με ράβδους γραφίτη. Ο Stevenson τοποθετεί μια ράβδο σε έναν θάλαμο όπου ένα ηλεκτρικό τόξο θα εξατμίσει τον άνθρακα, οδηγώντας στο σχηματισμό φουλλερενίων και σωλήνων.

Ruth Yaro για το περιοδικό Quanta

«Η προσέγγιση του Steve είναι σίγουρα κάτι που είναι αρκετά συναρπαστικό», είπε ο χημικός Ardemis Boghossian της École Polytechnique Fédérale de Lausanne στην Ελβετία, ο οποίος εργάζεται με νανοσωλήνες. "Είναι μια προσέγγιση που δεν χρησιμοποιείται συμβατικά στον τομέα μας... Η δική του είναι λίγο πιο ακριβής."

Οι ειδικοί λένε ότι η ικανότητα απομόνωσης καθαρών, ομοιόμορφων δειγμάτων πλήρων σωλήνων δίνει στα μόρια πολύ μεγαλύτερη γοητεία από ό,τι θα είχαν διαφορετικά. Τα φουλερένια μπορούν επίσης να απομονωθούν, αλλά δεν έχουν τις ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες που κάνουν τους γεμάτους σωλήνες και τους νανοσωλήνες να υπόσχονται ως συστατικά στοιχεία σε ηλεκτρικά κυκλώματα ή αισθητήρες με βάση το φως. Εν τω μεταξύ, η καθαρότητα παραμένει μόνο ένα όνειρο για τους ερευνητές νανοσωλήνων, οι οποίοι συχνά εργάζονται με ένα συνονθύλευμα σωλήνων τυχαίων μηκών και διαμέτρων, ακόμη και με ένθετους σωλήνες μέσα σε σωλήνες. Θα μπορούσαν, λοιπόν, τα fullertubes να ξεπεράσουν τα εμπόδια που έπληξαν τα ξαδέρφια του;

Τι έγινε με τους Buckyballs;

Σε ένα άρθρο του 1991 στο Scientific American Οι Curl και Smalley φαντάστηκαν επαναστατικές εφαρμογές των buckminsterfullerenes, συμπεριλαμβανομένων νέων υπεραγωγών με βάση τον άνθρακα, ηλεκτρονικών και λιπαντικών. "Η ευελιξία του χύμα C60 φαίνεται να αυξάνεται εβδομάδα με την εβδομάδα", έγραψαν.

Πέρασαν πέντε χρόνια. «Δεν έχουν παραχθεί ακόμη πρακτικά χρήσιμες εφαρμογές», έγραψε η επιτροπή του βραβείου Νόμπελ σε ένα δελτίο τύπου το 1996, ανακοινώνοντας ότι οι Curl, Kroto και Smalley είχαν κερδίσει το βραβείο χημείας για την ανακάλυψη των buckminsterfullerenes, «αλλά αυτό δεν είναι αναμενόμενο μόλις έξι χρόνια αφότου έγιναν διαθέσιμες μακροσκοπικές ποσότητες φουλερενίων.

Ένα τέταρτο του αιώνα αργότερα, κανένα από τα αρχικά προσδοκώμενα προϊόντα δεν μπήκε στην αγορά. Τα λίγα μέρη όπου μπορεί να συναντήσετε μπάκι μπαλάκια εμπορικά είναι τα καλλυντικά και τα συμπληρώματα διατροφής που διαφημίζουν τις δυνατότητες του μορίου ως αντιοξειδωτικό. Κανένας τύπος προϊόντος δεν απαιτεί έγκριση FDA, ωστόσο, και αρκετές μελέτες έχουν δείξει σημάδια τοξικότητας στα buckyballs. (Μια μελέτη φαίνεται να υποστηρίζει τα οφέλη για την υγεία, τουλάχιστον όσον αφορά την παράταση της διάρκειας ζωής των ποντικών που εκτίθενται σε ιονίζουσα ακτινοβολία· μια άλλη δεν βρίσκει οφέλη για την παράταση της ζωής σε ποντίκια.)

Ο Michael Crommie, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ, θεωρεί ότι τα φουλερένια είναι σημαντικά κυρίως για τη δημιουργία ίχνους σε άλλους κρυστάλλους άνθρακα. «Επειδή είχαμε μπάκες», είπε, «που οδήγησαν σε νανοσωλήνες και τελικά οδήγησαν στο γραφένιο».

Οι νανοσωλήνες είχαν μεγαλύτερη επιστημονική και εμπορική επιτυχία από τα φουλερένια. Μπορείτε να τα παραλάβετε από το κατάστημα υλικού, όπου βρίσκονται σε «νανοταινία» ή «ταινία γκέκο» που χρησιμοποιεί τους κρυστάλλους για την πρόσφυση με τον ίδιο τρόπο που τα πόδια των σαύρων χρησιμοποιούν μικροσκοπικές τρίχες. Οι νανοσωλήνες είναι εξαιρετικά ισχυροί, με τη δυνατότητα να υπερτερούν κατά πολύ του χάλυβα - εκτός από το ότι κανείς δεν έχει καταφέρει να κατασκευάσει νανοσωλήνες επαρκούς μήκους για εξαιρετικά ισχυρή καλωδίωση. Ωστόσο, οι νανοσωλήνες προσθέτουν δύναμη όταν αναμειγνύονται με ύφασμα, γάστρα σκαφών, αμάξωμα αυτοκινήτων υψηλής απόδοσης και ρακέτες τένις. Χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως για το φιλτράρισμα του νερού και για τη βελτίωση της απόδοσης ορισμένων μπαταριών.

Όμως, ενώ αυτές οι εφαρμογές περιλαμβάνουν μαζικές ποσότητες νανοσωλήνων διαφόρων μηκών και διαμέτρων, πιο πρωτοποριακές εφαρμογές όπως οι νανοαισθητήρες ακριβείας θα απαιτούν νανοσωλήνες που είναι πανομοιότυποι μεταξύ τους. Δύο αισθητήρες κατασκευασμένοι από διαφορετικούς νανοσωλήνες, για παράδειγμα, θα ανταποκριθούν διαφορετικά στο ίδιο ερέθισμα. Τα ηλεκτρονικά χρειάζονται ομοιόμορφα εξαρτήματα για να λειτουργούν με προβλέψιμο τρόπο.

Η αιθάλη άνθρακα (πάνω αριστερά) που παράγεται από τη διαδικασία εξάτμισης περνά από μια μηχανή υγρής χρωματογραφίας (πάνω δεξιά), η οποία δίνει φιαλίδια με δείγματα καθαρού γεμάτου σωλήνα (κάτω).

Ruth Yaro για το περιοδικό Quanta

«Δεν μπορούμε πραγματικά να απομονώσουμε νανοσωλήνες», είπε ο Boghossian. «Ίσως το άτομο που βρίσκει έναν εύκολο τρόπο να απομονώσει καθαρούς νανοσωλήνες μπορεί να πάρει ένα βραβείο Νόμπελ», όπως ο Geim και ο Novoselov κέρδισαν το βραβείο φυσικής όχι για την ανακάλυψη του γραφενίου, αλλά για την απομόνωσή του.

Ερευνητές όπως ο YuHuang Wang στο Πανεπιστήμιο του Maryland αναπτύσσουν έναν τρόπο να κόβουν μεγάλους νανοσωλήνες για να παράγουν συγκεκριμένα μήκη - μια επίπονη τεχνική από πάνω προς τα κάτω που ξεκινά με ένα μείγμα νανοσωλήνων και τους μετατρέπει σε μια συλλογή πανομοιότυπων τμημάτων. Άλλοι ερευνητές προσπαθούν να κατασκευάσουν νανοσωλήνες από κάτω προς τα πάνω, άτομο προς άτομο, αλλά αυτή η προσέγγιση είναι ελαττωματική και δαπανηρή.

Το γραφένιο, με τα ομοιόμορφα, μονοστρωματικά φύλλα του, είναι όπου ο Crommie πιστεύει ότι θα εκπληρωθεί η πραγματική δυνατότητα για νανοϋλικά άνθρακα. Ο καλύτερος τρόπος για ηλεκτρονικές και μαγνητικές συσκευές με βάση τον άνθρακα, κατά την άποψή του, είναι να κόψετε τις κορδέλες γραφενίου σε χρήσιμα σχήματα — μια τεχνική που λέει ότι έχει ήδη οδηγήσει σε πολύπλοκες ηλεκτρονικές συσκευές στο εργαστήριο.

Οι ανακαλυπτές των buckminsterfullerenes (από αριστερά), ο Sean O'Brien, ο Richard Smalley, ο Robert Curl, ο Harry Kroto και ο James Heath, πόζαραν σε ένα γρασίδι στο Πανεπιστήμιο Rice στο Χιούστον το 1985.

Rice University Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology records/UA 184/Woodsen Research Center/Fondren Library/Rice University

Baby Steps for Fullertubes

Τι ρόλο λοιπόν, εάν υπάρχει, θα μπορούσε να καλύψουν οι fullertubes; Επειδή οι κρύσταλλοι είναι ομοιόμορφοι και μπορούν να είναι είτε αγωγοί είτε ημιαγωγοί, ο Στίβενσον και ο Ντορν φαντάζονται ότι θα μπορούσαν ενδεχομένως να συνδεθούν μεταξύ τους όπως τα Lego νανο-μεγέθους για να φτιάξουν μικροσκοπικά ηλεκτρονικά.

Ο Boghossian εισάγει νανοσωλήνες σε κύτταρα για να μελετήσει το εσωτερικό περιβάλλον. Βασίζεται στον φθορισμό νανοσωλήνων:Οι δομές απορροφούν ένα χρώμα φωτός και εκπέμπουν ένα άλλο, και η αλλαγή φωτός αποκαλύπτει πληροφορίες σχετικά με τις κυτταρικές συνθήκες. Αλλά ο φθορισμός εξαρτάται από τη δομή των νανοσωλήνων και οι διαφορές μεταξύ τους κάνουν τα σήματα πιο δύσκολο να ερμηνευτούν. Οι πιο κοντοί γεμάτοι σωλήνες δεν φθορίζουν, αλλά οι μακρύτεροι δείχνουν σημάδια. Εάν ακόμη και μεγαλύτεροι γεμάτοι σωλήνες φθορίζουν πιο έντονα, θα μπορούσαν να είναι ένα όφελος για έρευνα σαν τη δική της. "Πιστεύω ότι θα βοηθήσει πολύ με τις οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές", είπε.

Από το 2020, σύμφωνα με έρευνα ακαδημαϊκών δημοσιεύσεων, τα φουλερένια έχουν αναφερθεί σε περίπου 22.700 εργασίες. Οι νανοσωλήνες εμφανίζονται σε 93.000. Μια αναζήτηση για το γραφένιο εμφανίζει πάνω από 200.000 αναφορές. Για το fullertubes, από τη στιγμή που γράφεται αυτό το άρθρο, ο συνολικός αριθμός των σχετικών δημοσιεύσεων όλων των εποχών είναι 94.

Περισσότεροι ερευνητές μπορεί να κάνουν το άλμα προς τους γεμάτους σωλήνες με την πάροδο του χρόνου, λέει ο Boghossian, εάν οι μελέτες αποκαλύψουν ιδιότητες που μοιάζουν με αυτές των νανοσωλήνων, με το πρόσθετο πλεονέκτημα των ακριβών μηκών. Ωστόσο, είπε, «θα χρειαστεί κάποια προσαρμογή, επειδή οι άνθρωποι εργάζονται σε νανοσωλήνες [και άλλες μορφές άνθρακα] όλη τους τη ζωή».

Επόμενο άρθρο

Βρίσκει κλειδιά για την οικολογία σε κύτταρα που κλέβουν από άλλους