Карбіна хімія. Фізичні властивості

Відносно нова форма вуглецю, звана карбін, може стати тим матеріалом, який у недалекому майбутньому забере у графену та вуглецевих нанотрубок пальму першості найміцніших у світі матеріалів. Крім міцності, що перевищує міцність графену і нанотрубок майже вдвічі, карбін має ще цілу низку екзотичних і цікавих властивостей, які відкривають широкі перспективи використання цього матеріалу в наноелектроніці, в спінтроніку, в технологіях зберігання водню та електричної енергії з небувалою до цього щільністю зберігання.

Карбін, відомий ще як алотропна форма вуглецю, є ланцюгом атомів вуглецю, з'єднаних послідовними подвійними зв'язками або чергуванням потрійного і одиночного зв'язку. До останнього часу про карбін було відомо, крім факту його існування, дуже небагато. Астрономи виявили карбін у матеріалі деяких метеоритів, астероїдів та у хмарах міжзоряного пилу. А в лабораторіях вдалося синтезувати ланцюжки карбину, довжиною максимум 44 атоми.

Природно, що за такого стану справ науці відомо дуже мало про сам карбін і про його властивості. Але й того, що відомо, достатньо для того, щоб викликати у вчених підвищений інтерес до цього матеріалу. Мінгджі Луї (Mingjie Liu), разом із колегами з університету Райс, намагаючись заповнити прогалини знань про карбін, вдалися до допомоги математичних методів, заснованих на досить відомих людям властивостях атомів вуглецю. Насамперед вчені розрахували, що міцність карбину становить 6.0-7.5?10^7 Н?м/кг, що майже вдвічі перевищує міцність графену (4.7-5.5?10^7 Н?м/кг). Крім цього вчені з'ясували, що молекули карбину практично не розтягуються, залишаючись при цьому напрочуд гнучкими і мають дуже високу хімічну стійкість.

Вигин ланцюжка карбину призводить до виникнення додаткової напруги між атомами вуглецю, що зміщує заборонену електричну зону цього матеріалу, надаючи йому яскраво виражені напівпровідникові властивості. Така особливість може використовуватися в різних мікроелектромеханічних системах як своєрідний датчик і регулятор положення. Додаючи молекули різних речовин, наприклад, метилену (CH2), до кінців молекули карбину, можна викликати штучне викривлення молекули і навіть сформувати її у вигляді спіралі, подібної до спіралі молекули ДНК. Крім цього, "прикраса" кінців молекули карбину молекулами різних сполук і речовин дозволяє надати матеріалу інші додаткові властивості, часом дуже екзотичні. Наприклад, додавання атомів кальцію перетворює ланцюжок атомів вуглецю на матеріал, що інтенсивно зв'язує водень, який можна використовувати для виготовлення пристроїв зберігання цього екологічно чистого палива майбутнього.

Також важливо відзначити, що подібно до графену, карбін має товщину всього в один атом. Це означає, що у розрахунку на одиницю маси матеріалу він має воістину величезну площу поверхні. Природно, що така властивість карбину робить його вкрай привабливим для пристроїв зберігання електричної енергії, акумуляторних батарей і суперконденсаторів, в яких головну роль відіграє ефективна площа поверхні електродів.

На жаль, вкрай обмежені можливості синтезу карбину, незважаючи на широке коло його цікавих властивостей, обмежують інтерес до цього матеріалу з боку дослідницьких організацій. Але деякі організації все ж таки вже ведуть пошуки способів отримання карбину у великих кількостях. І коли такі методи будуть знайдені, цей матеріал може стати об'єктом ще більш масштабних досліджень, ніж графен і вуглецеві нанотрубки.

"Карбін" - це матеріал, створений з атомів вуглецю, які певним шляхом зібрали в ланцюжок. Створена в лабораторії нова форма вуглецю - "Карбін", який можна було б помацати руками, вчені довго не визнавали. Поки що не виявили його в природі.

Карбін – наноматеріал майбутнього

Вчені вперше виявили «Карбін» у шматочках деяких метеоритів, тільки після цього він був визнаний існуючим матеріалом.

Після тривалих експериментів «Карбін» синтезували у лабораторії, але це була така мізерна кількість, що основні властивості довелося визначати математичним методом.

Розрахували, що міцність «Карбіна» майже вдвічі вища за міцність «Графена» і з'ясували, що молекули «Карбіна» не розтягуються, але при цьому не втрачають гнучкості. Це хімічно неактивний матеріал. Додаючи молекули певних речовин до «Карбіна», можна отримувати матеріали зовсім з різними властивостями.

Наразі фізичні та хімічні властивості «Карбіна» вже добре вивчені. Починається створення матеріалів із застосуванням «Карбіна» у промислових обсягах, міцність яких у два рази міцніша за «Графен». Ці матеріали мають гарну адгезію і хімічно неактивні.

"Карбін" як і "Графен" має товщину в 1 атом. Це означає, що площа поверхні по відношенню до маси дуже велика. А значить, його можна використовувати при виготовленні акумуляторних батарей та супперконденсаторів.

Крім того, «Карбін» має цілу низку інших властивостей, що дозволяють використовувати його в електроніці та медицині.

На основі електронних властивостей вчені будують датчики газу, світла та наявності життя. Інститут розвинених технологій Samsung працює над створенням гнучкого дисплея, транзисторів та пристроїв зберігання даних.

«Карбін» має високу біологічну сумісність, тому його широко почали застосовувати в медицині. З використанням «Карбіна» були створені протези судин, шовні нитки, покриття для суглобів, що труться. Його вже застосовують в офтальмології, урології та стоматології.

Наукове відкриття "Нова кристалічна форма вуглецю – карбін".

Формула відкриття:"Експериментально встановлено невідоме раніше явище існування нової кристалічної форми вуглецю - карбину, що характеризується, на відміну від алмазу та графіту, ланцюжковою (лінійною) будовою вуглецевих макромолекул".
Автори:В. І. Касаточкін, А. М. Сладков, Ю. П. Кудрявцев, В. В. Коршак.
Номер та дата пріоритету:№ 107 від 4 листопада 1960

Опис відкриття.
Вуглець – унікальний елемент. Він утворює безліч сполук, служить відмінним паливом і вихідною сировиною для отримання різних матеріалів і виробів з них. Завдяки своїй будові він утворює величезну кількість сполук тільки з воднем, а загальна кількість всіляких хімічних сполук, що містять вуглець, у тому числі й у клітинах живих істот, перевищує два мільйони.

Не відразу підібрали ключі до розгадки поведінки вуглецю, що має певні структури ланцюжків атомів. Цьому передували десятиліття наукових пошуків. Довгий час були відомі лише дві кристалічні форми вуглецю – алмаз та графіт, у яких зовсім різні властивості. Алмаз – найтвердіша з відомих речовин на Землі – прозорий, має характерні властивості електричного ізолятора. Графіт дуже м'який, непрозорий, добре проводить струм.

Доктор хімічних наук Ст. кристалічної форми вуглецю, названої карбіном Його одержали з ацетилену. Третя форма кристалічного вуглецю має напівпровідникові властивості та фотопровідність.

Карбін виявлений і у природному вигляді. Нещодавно в кратері Рис (Баварія), що утворився внаслідок падіння метеориту, було виявлено кристалічний вуглець, за структурою близький до карбину. Такий же вуглець знайдено вченими Інституту геохімії Академії наук СРСР у метеориті Новий Урей. Ці факти свідчать, що карбін дуже стійкий і утворюється в специфічних природних умовах. Вивчення цих умов допоможе розвитку космохімії. Різкі відмінності у структурі та властивостях трьох форм кристалічного вуглецю: алмазу, графіту та карбину – пов'язані з трьома можливими різновидами гібридної електронної структури вуглецевих атомів і, отже, з відмінностями у типах міжатомних зв'язків.

Відповідно до теорії перехідних форм вуглецю поєднання неоднакових гібридних різновидів атомів в єдиній полімерній структурі породжує безліч аморфних форм цієї речовини. Вуглецеве скло – типовий приклад аморфного вуглецю, в якому поєднуються всі три види гібридних атомів із трьома типами зв'язків – алмазних, графітових та карбінових. Число поєднань гібридних атомів у різних співвідношеннях дуже велике. Ось чому зараз з'являються нові вуглецеві матеріали з різноманітними властивостями. Основа цих матеріалів – аморфний вуглець.

Увага до цих дивовижних матеріалів у всьому світі з кожним роком зростає. Створюються великі спеціалізовані наукові центри. Завзято ведуться пошуки нових вуглецевих матеріалів. Незвичайна легкість у поєднанні із жаростійкістю, стійкістю проти агресивних хімічних середовищ, нездатністю намагнічуватися, безсумнівно, дозволить цим речовинам вже найближчим часом зайняти провідне становище серед інших конструкційних матеріалів у прогресивних галузях науки.

Карбін відніме у графена звання найміцнішого матеріалу, якщо і як тільки його навчаться робити у значній кількості. Про це йдеться у статті фізика-теоретика Бориса Якобсона та його колег, опублікованій цього тижня.

Нещодавно графен потрапив у всі новини, ставши найміцнішим матеріалом. За досліди з графеном у 2010 році було присуджено Нобелівську премію. Але, можливо, вчені синтезували новий найміцніший матеріал, відомий як карбін.

Про властивості карбину стало відомо ще влітку. Цей матеріал є ланцюгом атомів вуглецю, з'єднаних або послідовно подвійними зв'язками, або чергуванням потрійного і одиночного зв'язку. Це, певною мірою, робить карбін одномірним матеріалом – на відміну від двомірного графена або тривимірних порожнистих карбонових нанотрубок.

У новій статті йдеться, що у разі виробництва у достатній кількості, можна буде скористатися низкою унікальних властивостей карбину. Зокрема, розрахунки показали, що межа міцності нового матеріалу може бути вдвічі вищою, ніж цей показник для графену. Крім того, він вдвічі твердіший, ніж графен, і втричі – порівняно з алмазом. Крім цього, карбін має яскраво виражені напівпровідникові властивості і може виступати як матеріал для пристроїв зберігання енергії.

Але мало хто вже пам'ятає, що карбін - називають ще Вуглецем Олексія Солодкова.

1960 року карбін був синтезований радянським хіміком А.М. Солодковим 1922–1982 у стінах Інституту елементоорганічних сполук у Москві названо їм карбін. Йому було не відомо, що, володіючи унікальними властивостями, ця штучно створена речовина зацікавила весь світ і почалося його практичне використання в різних сферах життєдіяльності людини, наприклад, в медицині та електроніці. ‎У 1968 році американські вчені, А. Ель Горесі та Г. Донней, досліджуючи зразки метеоритного кратера (ФРН, Баварія), демінералізували їх обробкою різними кислотами. У нерозчинному концентраті це був графіт. Вчені виявили в ньому вкраплення невідомої речовини сріблясто-білого кольору -вуглецю. Оптичні властивості речовини абсолютно не були схожі на властивості природного алмазу або штучно отриманої кристалічної модифікації - лонсдейліту. Виявлена ​​речовина виявилася новою алотропною формою вуглецю (“білого вуглецю”), що підтвердило дослідженням його за допомогою рентгенографії. Вчені дійшли висновку, що ця форма угреду утворилася з графіту внаслідок падіння метеориту під впливом високої температури та тиску.

Найпарадоксальніше в цій історії те, що існування карбину, який у лабораторії А.М. Сладкова можна було побачити, доторкнутися, провести з ним досліди, до виявлення його в природі офіційно не визнавалося. Точніше, обережні з його визнанням, тим самим ще раз підтверджуючи, наскільки все ж таки сильні в науці консервативні прояви, наскільки важко доводити помилковість тверджень визнаних авторитетів. Один із перших, хто наважився кинути виклик авторитету попередників, став талановитий російський вчений Олексій Михайлович Сладков. Проведена ним в Інституті елементоорганічних сполук робота, яку відрізняли, як стверджують співробітники його лабораторії І. Гольдинг та М. Васньова, “дивовижна тонкість та ясність задуму” – окислювальна поліконденсація ацетилену – призвела до відкриття нової лінійної алотропної форми вуглецю.

Будучи сином відомого російського вченого-хіміка, репресованого в тридцятих роках, професора Московського хіміко-технологічного інституту ім. Д.І. Менделєєва, наукового керівника найбільшого Інституту харчових продуктів та барвників (НДОПІК), А.М. Сладков не знаходив визнання на той час. Він всіляко ухилявся від громадських справ і не був у лавах КПРС через репресованого батька.

Авторське свідоцтво на спосіб отримання карбину Комітетом у справах винаходів та відкриттів при Раді Міністрів СРСР було зареєстровано як відкриття з пріоритетом 1960 лише 7 грудня 1971 року. Тобто. через одинадцять років після серії успішних дослідів. Потрібно було одинадцять років очікування, щоб зламати недовіру до відкриття, яке спростовує світові авторитети. Отримавши карбін, А.М.Сладков прийшов до думки про множинність карбінових форм вуглецю, про існування великої кількості основних вуглецевих полімерів. Подальші дослідження вчених цей здогад підтвердили. Часто у науковій літературі мають місце публікації, що заявляють про синтез нової кристалічної форми або алотропної модифікації вуглецю.

У підтвердженні цього 1985 року, наприклад, було здійснено відкриття великого сімейства сфероподібних вуглецевих молекул, названих фулеренами. Дане відкриття дало новий поштовх дослідженням у всьому світі в галузі вуглецю та його алотропних форм. Авторам чергового відкриття – групі американських учених – принесло 1996 року Нобелівську премію. Чи все це не означає, що, будучи першовідкривачем цих нових форм вуглецевих молекул, російський вчений має всі підстави на право претендувати, більше того, отримати за своє видатне відкриття Карбіна Нобелівську премію!?

На даний момент отримання карбину залишається вкрай складним завданням, тому вчені поки що проводять експерименти не зі справжньою речовиною, а вдаються за допомогою квантово-механічного моделювання на суперкомп'ютерах. «У попередніх роботах… увага була зосереджена на якихось окремих його характеристиках, ми ж поставили собі за мету охарактеризувати її одразу з усіх боків, тобто створити повну механічну модель матеріалу», – каже Артюхов.

Результати такого моделювання показали, що карбін має унікально високу жорсткість - його питома міцність на кілограм маси становить 1 мільйон кілоньютонів на метр. Це вдвічі вище міцності нанотрубок і графену (0,45 мільйона кілоньютонів) і майже втричі міцніше за алмаз - 0,35 мільйона кілоньютонів). «Ми виявили й кілька інших цікавих явищ, наприклад те, що карбін може «включати» крутильну жорсткість шляхом приєднання певних функціональних груп на кінцях», - сказав співрозмовник агентства.

Крім того, Якобсон та його колеги змогли довести, що при розтягуванні карбінової нитки радикально змінюються її електричні властивості – вона «перетворюється» з форми кумулену (який є провідником) у форму поліїну (діелектрик), тобто, натягуючи нитку карбину, можна вимикати і включати провідність.

Чи не космічний ліфт, але електроніка

Поки що технології отримання карбину вкрай складні. Найдовша нитка карбину - 6 нанометрів - була отримана в 2010 році вченими з Канади. Тому, за словами Артюхова, карбін може бути використаний як компонент різних складних наносистем. «Він міг би служити «нанотросом» або «наностержнем» (залежно від довжини), а також «кабелем», що проводить або напівпровідниковим, - говорить учений.

Незважаючи на його унікальну механічну міцність, карбін навряд чи можна буде використовувати для створення надміцних макроскопічних тросів, наприклад, для «космічних ліфтів».

«Справа в тому, що міцність матеріалу завжди визначається не найсильнішою, а навпаки – найслабшою «ланкою» у ньому. У вуглецевих волокнах це - з'єднання між графітовими листами, у композитах з нанотрубками - контакт між нанотрубкою та матрицею. І скільки не покращуй властивості посилюючих елементів у системі, міцність її залишиться постійною, якщо вони погано пов'язані один з одним», - каже Артюхов.

Зате карбін може стати в нагоді в електроніці - залежно від натягу у нього різко змінюються провідність та оптичний спектр поглинання. Натягом можна контролювати, до якої довжини хвиль світла матеріал максимально чутливий. Це дуже корисна властивість для оптоелектронних додатків, зокрема у телекомунікаціях», - зазначив учений.

Ширина забороненої зони -карбіна змінюється в залежності від величини механічної напруги.

Група вчених з Університету Райса (Х'юстон, США) опублікувала результати роботи, присвяченої вивченню властивостей карбину, що є ланцюжком з атомів вуглецю. Зв'язки між її ланками можуть бути подвійними, або чергуються (потрійними і одинарними). Карбін представляє особливий інтерес для хіміків та нанотехнологів, оскільки він найбільш міцний та жорсткий із усіх відомих матеріалів.

Шостий елемент таблиці Менделєєва, вуглець, подарував світу безліч незвичайних матеріалів. Крім відомих зі шкільної лави форм вуглецю — графіту та алмазу, вчені додали до цієї колекції фулерени, вуглецеві нанотрубки та безліч екзотичних модифікацій, «складених» із листів графену.

Теоретично існування ланцюжкової форми вуглецю було передбачено ще наприкінці 19 століття. Астрономи виявили ознаки присутності карбину в міжзоряному пилу та речовині метеоритів. Карбін може утворюватися природним шляхом та при ударному стиску графіту. У лабораторних умовах досить довгі вуглецеві ланцюжки (до 44 атомів) вдалося синтезувати лише кілька років тому. Вчені також змогли отримати та стабілізувати карбін за кімнатної температури.

Навколо карбину було споруджено безліч припущень. Наприклад, вважалося, що з взаємодії двох ниток карбину пройде вибухова реакція їхнього злиття. Вчені одноголосно стверджували, що карбін дуже міцний і жорсткий, але наскільки? Експериментальною перевіркою теорій та чисельним виміром характеристик карбину дослідники зайнялися лише зараз.

Карбін справді виявився «самим-самим». Його питома жорсткість (близько 109 Н·м/кг) удвічі перевищує питому жорсткість графену (0,45·109 Н·м/кг), а питома міцність (6,0·107 - 7,5·107 Н·м/кг ) також залишає позаду всі відомі матеріали, включаючи графен (4,7·107 - 5,5 · 107 Н∙м/кг), вуглецеві нанотрубки (4,3·107 - 5,0·107 Н∙м/кг) та алмаз (2,5 · 107 - 6,5 · 107 Н · м / кг). Щоб розірвати ланцюжок карбину, треба докласти зусилля близько 10 нН.

Гнучкість карбину (яка зазвичай знаходиться десь між значеннями цього показника для більшості полімерів і ланцюжка ДНК) можна «відключати», приєднавши до кінця ланцюжка певну хімічну групу. У цьому випадку ланцюжок карбину перетворюється з «нитки» на «голку».

Що ж до стабільності карбину, дослідники погодилися, що «вибух» при контакті двох вуглецевих ланцюжків дійсно можливий, але для цього необхідно подолати активний енергетичний бар'єр. Завдяки цьому бар'єру ланцюжка карбину довжиною близько 14 нм можуть залишатися стабільними при кімнатній температурі протягом доби.