Карбин химия. Физические свойства

Относительно новая форма углерода, называемая карбин, может стать тем материалом, который в недалеком будущем отнимет у графена и углеродных нанотрубок пальму первенства самых прочных в мире материалов. Помимо прочности, превосходящей прочность графена и нанотрубок почти в два раза, карбин обладает еще целым рядом экзотических и интересных свойств, которые открывают широкие перспективы использования этого материала в наноэлектронике, в спинтронике, в технологиях хранения водорода и электрической энергии с небывалой до этого плотностью хранения.

Карбин, известный еще как аллотропная форма углерода, представляет собой цепь атомов углерода, соединенных последовательными двойными связями или чередованием тройной и одиночной связи. До последнего времени о карбине было известно, кроме факта его существования, весьма немногое. Астрономы обнаружили карбин в материале некоторых метеоритов, астероидов и в облаках межзвездной пыли. А в лабораториях удалось синтезировать цепочки карбина, длиной максимум 44 атома.

Естественно, что при таком положении дел науке известно очень мало о самом карбине и о его свойствах. Но и того, что известно, достаточно для того, чтобы вызвать у ученых повышенный интерес к этому материалу. Мингджи Луи (Mingjie Liu), вместе с коллегами из университета Райс, пытаясь заполнить пробелы знаний о карбине, прибегли к помощи математических методов, основанных на достаточно известных людям свойствах атомов углерода. Первым делом ученые рассчитали, что прочность карбина составляет 6.0-7.5?10^7 Н?м/кг, что почти в два раза превосходит прочность графена (4.7-5.5 ?10^7 Н?м/кг). Помимо этого ученые выяснили, что молекулы карбина практически не растягиваются, оставаясь, при этом, удивительно гибкими, и имеют весьма высокую химическую устойчивость.

Изгиб цепочки карбина приводит к возникновению дополнительного напряжения между атомами углерода, что смещает электрическую запрещенную зону этого материала, придавая ему ярко выраженные полупроводниковые свойства. Такая особенность может использоваться в различных микроэлектромеханических системах в качестве своеобразного датчика и регулятора положения. Добавляя молекулы различных веществ, к примеру, метилена (CH2), к концам молекулы карбина, можно вызвать искусственное искривление молекулы и даже сформировать ее в виде спирали, подобной спирали молекулы ДНК. Помимо этого, "украшение" концов молекулы карбина молекулами различных соединений и веществ позволяет придать материалу другие дополнительные свойства, порой весьма экзотические. К примеру, добавление атомов кальция превращает цепочку атомов углерода в материал, интенсивно связывающий водород, который можно использовать для изготовления устройств хранения этого экологически чистого топлива будущего.

Также важно отметить, что подобно графену, карбин имеет толщину всего в один атом. Это означает, что в расчете на единицу массы материала он обладает поистине огромной площадью поверхности. Естественно, что такое свойство карбина делает его крайне привлекательным для устройств хранения электрической энергии, для аккумуляторных батарей и суперконденсаторов, в которых главную роль играет эффективная площадь поверхности электродов.

К сожалению, крайне ограниченные возможности синтеза карбина, несмотря на широкий круг его интересных свойств, ограничивают интерес к этому материалу со стороны исследовательских организаций. Но некоторые организации все же уже ведут поиски способов получения карбина в больших количествах. И когда такие способы будут найдены, этот материал может стать объектом еще более масштабных исследований, нежели графен и углеродные нанотрубки.

«Карбин» — это материал, созданный из атомов углерода, которые определённым путём собрали в цепочку. Созданная в лаборатории новая форма углерода – «Карбин», который можно было бы пощупать руками, учёные долго не признавали. Пока не обнаружили его в природе.

Карбин – наноматериал будущего

Учёные впервые обнаружили «Карбин» в кусочках некоторых метеоритов, только после этого он был признан как существующий материал.

После длительных экспериментов «Карбин» синтезировали в лаборатории, но это было такое мизерное количество, что основные свойства пришлось определять математическим методом.

Рассчитали, что прочность «Карбина» почти в 2 раза выше прочности «Графена» и выяснили, что молекулы «Карбина» не растягиваются, но при этом не теряют гибкости. Это химически неактивный материал. Добавляя молекулы определённых веществ к «Карбину» можно получать материалы совершенно с разными свойствами.

В данное время физические и химические свойства «Карбина» уже хорошо изучены. Начинается создание материалов с применением «Карбина» в промышленных объёмах, прочность которых в два раза прочнее «Графена». Эти материалы обладают хорошей адгезией и химически неактивны.

«Карбин» как и «Графен» имеет толщину в 1 атом. Это означает, что площадь поверхности по отношению к массе очень велика. А значит, его можно использовать при изготовлении аккумуляторных батарей и супперконденсаторов.

Кроме того, «Карбин» обладает целым рядом других свойств, позволяющих использовать его в электронике и медицине.

На основе электронных свойств учёные строят датчики газа, света и наличия жизни. Институт продвинутых технологий Samsung работает над созданием гибкого дисплея, транзисторов и устройств хранения данных.

«Карбин» обладает высокой биологической совместимостью, поэтому его широко стали применять в медицине. С использованием «Карбина» были созданы протезы сосудов, шовные нити, покрытия для трущихся суставов. Его уже применяют в офтальмологии, урологии и стоматологии.

Научное открытие "Новая кристаллическая форма углерода – карбин".

Формула открытия: "Экспериментально установлено неизвестное ранее явление существования новой кристаллической формы углерода – карбина, характеризующейся, в отличие от алмаза и графита, цепочечным (линейным) строением углеродных макромолекул".
Авторы: В. И. Касаточкин, А. М. Сладков, Ю. П. Кудрявцев, В. В. Коршак.
Номер и дата приоритета: № 107 от 4 ноября 1960 г.

Описание открытия.
Углерод – уникальный элемент. Он образует бесчисленное множество соединений, служит отличным топливом и исходным сырьем для получения самых разных материалов и изделий из них. Благодаря своему строению он образует громадное число соединений только с водородом, а общее количество всевозможных химических соединений, содержащих углерод, в том числе и в клетках живых существ, превышает два миллиона.

Не сразу подобрали ключи к разгадке поведения углерода, имеющего определенные структуры цепочек атомов. Этому предшествовали десятилетия научных поисков. Долгое время были известны только две кристаллические формы углерода – алмаз и графит, у которых совершенно разные свойства. Алмаз – самое твердое из известных веществ на Земле – прозрачен, обладает характерными свойствами электрического изолятора. Графит – очень мягкий, непрозрачный, хорошо проводит ток.

Доктор химических наук В. И. Касаточкин из Института горючих ископаемых вместе с учеными Института элементоорганических соединений доктором химических наук А. М. Сладковым, кандидатом химических наук Ю. П. Кудрявцевым и членом-корреспондентом АН СССР В. В. Коршаком открыли явление существования новой кристаллической формы углерода, названной карбином. Его получили из ацетилена. Третья форма кристаллического углерода обладает полупроводниковыми свойствами и фотопроводимостью.

Карбин обнаружен и в естественном виде. Недавно в кратере Рис (Бавария), который образовался в результате падения метеорита, был обнаружен кристаллический углерод, по структуре близкий к карбину. Такой же углерод найден учеными Института геохимии Академии Наук СССР в метеорите Новый Урей. Эти факты свидетельствуют о том, что карбин весьма устойчив и образуется в специфических природных условиях. Изучение этих условий поможет развитию космохимии. Резкие различия в структуре и свойствах трех форм кристаллического углерода: алмаза, графита и карбина – связаны с тремя возможными разновидностями гибридной электронной структуры углеродных атомов и, следовательно, с различиями в типах межатомных связей.

Согласно теории переходных форм углерода сочетание неодинаковых гибридных разновидностей атомов в единой полимерной структуре порождает множество аморфных форм этого вещества. Углеродное стекло – типичный пример аморфного углерода, в котором сочетаются все три вида гибридных атомов с тремя типами связей – алмазных, графитовых и карбиновых. Число сочетаний гибридных атомов в разных соотношениях очень велико. Вот почему сейчас появляются все новые углеродные материалы с разнообразными свойствами. Основа этих материалов – аморфный углерод.

Внимание к этим удивительным материалам во всем мире с каждым годом возрастает. Создаются крупные специализированные научные центры. Упорно ведутся поиски новых углеродных материалов. Необыкновенная легкость в сочетании с жаростойкостью, устойчивостью против агрессивных химических сред, неспособностью намагничиваться, несомненно, позволит этим веществам уже в ближайшее время занять ведущее положение среди других конструкционных материалов в прогрессивных областях науки.

Карбин отнимет у графена звание самого прочного материала, если и как только его научатся производить в значительном количестве. Об этом говорится в статье физика-теоретика Бориса Якобсона и его коллег, опубликованной на этой неделе.

Не так давно графен попал во все новости, став самым прочным материалом. За опыты с графеном в 2010 году была присуждена Нобелевская премия. Но, возможно, ученые синтезировали новый самый прочный материал, известный как карбин.

О свойствах карбина стало известно еще летом. Этот материал представляет собой цепь атомов углерода, соединенных либо последовательно двойными связями, либо чередованием тройной и одиночной связи. Это, в некотором роде, делает карбин одномерным материалом – в отличие от двухмерного графена или трехмерных полых карбоновых нанотрубок.

В новой статье говорится, что в случае производства в достаточном количестве, можно будет воспользоваться рядом уникальных свойств карбина. В частности, расчеты показали, что предел прочности нового материала может быть в два раза выше, чем этот показатель для графена. Кроме того, он в два раза тверже, чем графен, и в три раза – по сравнению с алмазом. Помимо этого, карбин имеет ярко выраженные полупроводниковые свойства и может выступать в качестве материала для устройств хранения энергии.

Но мало кто уже помнит, что карбин - называют ещё УГЛЕРОДОМ АЛЕКСЕЯ СЛАДКОВА.

В 1960 году карбин был синтезирован советским химиком А.М. Сладковым 1922–1982 в стенах Института элементоорганических соединений в Москве и названо им карбин . Ему было не изестно, что, обладая уникальными свойствами, это искусственно созданное вещество заинтересовало весь мир и началось его практическое использование в разных областях жизнедеятельности человека, например, в медицине и электронике. ‎В 1968 году американские ученые, А. Эль Гореси и Г. Донней, исследуя образцы метеоритного кратера (ФРГ, Бавария), деминерализовали их обработкой различными кислотами. В нерастворимом концентрате это был графит. Учёные обнаружили в нём вкрапления неизвестного вещества серебристо-белого цвета -углерода. Оптические свойства вещества абсолютно не были похожи на свойства природного алмаза или искусственно полученной его кристаллической модификации – лонсдейлита. Обнаруженное вещество оказалось новой аллотропной формой углерода (“белого углерода”), что было подтвердило исследованием его с помощью рентгенографии. Учёные пришли к выводу, что эта форма угреда образовалась из графита в результате падения метеорита под воздействием высокой температуры и давления.

Самое парадоксальное в этой истории то, что существование карбина, который в лаборатории А.М. Сладкова можно было увидеть, потрогать, провести с ним опыты, до обнаружения его в природе официально не признавалось. Точнее, осторожничали с его признанием, тем самым еще раз подтверждая, сколь все же сильны в науке консервативные проявления, сколь трудно доказывать ошибочность утверждений признанных авторитетов. Один из первых, кто решился бросить вызов авторитету предшественников, стал талантливый русский ученый Алексей Михайлович Сладков. Проведенная им в Институте элементоорганических соединений работа, которую отличали, как утверждают сотрудники его лаборатории И. Гольдинг и Н. Васнева, “удивительная тонкость и ясность замысла”, – окислительная поликонденсация ацетилена – привела к открытию новой линейной аллотропной формы углерода.

Будучи сыном известного русского ученого-химика репрессированного в тридцатых годах, профессора Московского химико-технологического института им. Д.И. Менделеева, научного руководителя крупнейшего Института пищевых продуктов и красителей (НИОПИК), А.М. Сладков не находил признания в то время. Он всячески уклонялся от общественных дел и не был в рядах КПСС из-за репрессированного отца.

Авторское свидетельство на способ получения карбина Комитетом по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР была зарегистрировано как открытие с приоритетом 1960 года лишь 7 декабря 1971 года. Т.е. спустя одиннадцать лет после серии успешных опытов. Потребовалось одиннадцать лет ожидания, чтобы сломить недоверие к открытию, опровергающему мировые авторитеты. Получив карбин, А.М.Сладков пришёл к мысли о множественности карбиновых форм углерода, о существовании большого количества основных углеродных полимеров. Последующие исследования ученых эту догадку подтвердили. Часто в научной литературе имеют место публикации, заявляющие о синтезе новой кристаллической формы или аллотропной модификации углерода.

В подверждении этому в 1985 году, например, было совершено открытие большого семейства сферообразных углеродных молекул, названных фуллеренами. Данное открытие дало новый толчок исследованиям во всем мире в области углерода и его аллотропных форм. Авторам очередного открытия – группе американских ученых – принесло в 1996 году Нобелевскую премию. Всё это не означает ли, что, будучи первооткрывателем этих новых форм углеродных молекул, российский ученый имеет все основания на право претендовать, больше того, получить за своё выдающееся открытие КАРБИНА Нобелевскую премию!?

На данный момент получение карбина остается крайне сложной задачей, поэтому ученые пока проводят эксперименты не с настоящим веществом, а прибегают к помощи квантово-механического моделирования на суперкомпьютерах. «В предыдущих работах… внимание было сосредоточено на каких-то отдельных его характеристиках, мы же задались целью охарактеризовать его сразу со всех сторон, то есть создать полную механическую модель материала», - говорит Артюхов.

Результаты такого моделирования показали, что карбин обладает уникально высокой жесткостью - его удельная прочность на килограмм массы составляет 1 миллион килоньютонов на метр. Это в два раза выше прочности нанотрубок и графена (0,45 миллиона килоньютонов) и почти в три раза прочнее алмаза - 0,35 миллиона килоньютонов). «Мы обнаружили и несколько других интересных явлений, например то, что у карбина можно «включать» крутильную жесткость путем присоединения определенных функциональных групп на концах», - сказал собеседник агентства.

Кроме того, Якобсон и его коллеги смогли доказать, что при растяжении карбиновой нити радикально меняются ее электрические свойства - она «превращается» из формы кумулена (который является проводником) в форму полиина (диэлектрик), то есть, натягивая нить карбина, можно выключать и включать проводимость.

Не космический лифт, но электроника

Пока технологии получения карбина крайне сложны. Самая длинная нить карбина - 6 нанометров - была получена в 2010 году учеными из Канады. Поэтому, по словам Артюхова, карбин может быть использован в качестве компонента различных сложных наносистем. «Он мог бы служить «нанотросом» или «наностержнем» (в зависимости от длины), а также проводящим или полупроводниковым «кабелем», - говорит ученый.

Несмотря на его уникальную механическую прочность, карбин вряд ли можно будет использовать для создания сверхпрочных макроскопических тросов, например для «космических лифтов».

«Дело в том, что прочность материала всегда определяется не самым сильным, а наоборот - самым слабым «звеном» в нем. В углеродных волокнах это - соединения между графитовыми листами, в композитах с нанотрубками - контакт между нанотрубкой и матрицей. И сколько ни улучшай свойства усиливающих элементов в системе, прочность её останется постоянной, если они плохо соединены друг с другом», - говорит Артюхов.

Зато карбин может пригодиться в электронике - в зависимости от натяжения у него резко меняются проводимость и оптический спектр поглощения. «Натяжением можно контролировать, к какой длине волн света материал максимально чувствителен. Это очень полезное свойство для оптоэлектронных приложений, в частности, в телекоммуникациях», - отметил ученый.

Ширина запрещенной зоны α-карбина меняется в зависимости от величины механического напряжения.

Группа ученых из Университета Райса (Хьюстон, США) опубликовала результаты работы, посвященной изучению свойств карбина , представляющего собой цепочки из атомов углерода. Связи между её звеньями могут быть либо двойными, либо чередующимися (тройными и одинарными). Карбин представляет особый интерес для химиков и нанотехнологов, поскольку он наиболее прочный и жесткий из всех известных материалов.

Шестой элемент таблицы Менделеева, углерод, подарил миру множество необычных материалов. Помимо известных со школьной скамьи форм углерода — графита и алмаза, ученые добавили в эту коллекцию фуллерены, углеродные нанотрубки и множество экзотических модификаций, «сложенных» из листов графена.

Теоретически существование цепочечной формы углерода было предсказано еще в конце 19 века. Астрономы обнаружили признаки присутствия карбина в межзвездной пыли и веществе метеоритов. Карбин может образовываться естественным путем и при ударном сжатии графита. В лабораторных условиях достаточно длинные углеродные цепочки (до 44 атомов) удалось синтезировать лишь пару лет назад. Ученые также смогли получить и стабилизировать карбин при комнатной температуре.

Вокруг карбина было воздвигнуто множество предположений. Например, считалось, что при взаимодействии двух нитей карбина пройдет взрывная реакция их слияния. Ученые единогласно утверждали, что карбин — очень прочный и жесткий, но насколько? Экспериментальной проверкой теорий и численным измерением характеристик карбина исследователи занялись только сейчас.

Карбин действительно оказался «самым-самым». Его удельная жесткость (около 109 Н·м/кг) вдвое превосходит удельную жесткость графена (0,45·109 Н·м/кг), а удельная прочность (6,0·107 — 7,5·107 Н∙м/кг) также оставляет позади все известные материалы, включая графен (4,7·107 — 5,5 ·107 Н∙м/кг), углеродные нанотрубки (4,3·107 — 5,0·107 Н∙м/кг) и алмаз (2,5·107 — 6,5·107 Н∙м/кг). Для того чтобы разорвать цепочку карбина, надо приложить усилие порядка 10 нН.

Гибкость карбина (обычно находящуюся где-то между значениями этого показателя для большинства полимеров и цепочки ДНК) можно «отключать», присоединив к концу цепочки определенную химическую группу. В этом случае цепочка карбина превращается из «нитки» в «иголку».

Что же касается стабильности карбина, исследователи согласились, что «взрыв» при контакте двух углеродных цепочек действительно возможен, но для этого необходимо преодолеть некий активационный энергетический барьер. Благодаря этому барьеру цепочки карбина длиной около 14 нм могут оставаться стабильными при комнатной температуре примерно в течение суток.