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Vergessen Sie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren, machen Sie sich bereit für Diamond Nanothread
Kaum eine Woche vergeht, ohne dass jemand eine neue Anwendung für Graphen proklamiert, die Form von Kohlenstoff, die in einzelnen Lagen mit hühnerdrahtartiger Struktur vorkommt (siehe Forschungshinweise zum photovoltaischen Potenzial von Graphen). Rollen Sie eine Graphenfolie zu einer Röhre und es entsteht eine Kohlenstoffnanoröhre, ein weiteres Wundermaterial mit zahlreichen Anwendungen. Und wickeln Sie es weiter in eine Kugel und mit einer kleinen Neuordnung der Bindungen bildet es Buckyballs.
Jetzt gibt es ein neues Kind auf dem Kohlenstoffblock. Letzten Monat gab ein Team an der Pennsylvania State University und anderswo bekannt, dass sie eine andere Art von Kohlenstoff geschaffen haben, die die Form eines eindimensionalen Diamantkristalls hat, der mit Wasserstoff bedeckt ist. Sie nennen dieses neue Material Diamant-Nanofaden.
Das sorgte für Aufregung und warf einige interessante Fragen auf. Materialwissenschaftler sind fasziniert von den möglichen Eigenschaften eines Diamant-Nanofadens und seinen Anwendungen. Allerdings ist zu befürchten, dass ein solcher Faden so spröde wäre, dass er bei jeder Belastung wie Glas zerspringen würde, eine Eigenschaft, die den Einsatz stark einschränken würde.
Heute erhalten wir dank der Arbeit von Haifei Zhan von der Queensland University of Technology in Australien und einigen Freunden neue Einblicke in Diamant-Nanofäden. Diese Jungs haben die Fäden mit groß angelegten Molekulardynamiksimulationen modelliert. Und sie kommen zu dem Schluss, dass das Material vielseitiger sein könnte als gedacht. Es gibt erste Anzeichen dafür, dass Diamant-Nanofäden ein neues Wundermaterial für sich sein könnten.
Das Team von Penn State stellte den Nanofaden aus Benzolmolekülen her, einfachen Ringen aus Kohlenstoffatomen. Es ist nicht schwer zu sehen, wie sich ein Stapel davon so verbinden könnte, dass er einen Faden bildet.
Und genau das hat das Team von Penn State getan. Sie stapelten die Moleküle zu einer Linie, setzten sie unter Druck, sodass die Moleküle polymerisierten und, voilà, ein Diamant-Nanofaden entstand.
Das klingt in der Theorie einfach, aber die Komplexität ergibt sich aus der Art und Weise, wie sich die Kohlenstoffatome verbinden können. Verschiedene Konfigurationen sind möglich, und die Frage, die Zhan und Co. untersuchen, ist, wie die Eigenschaften des Fadens von diesen Anordnungen abhängen.
Insbesondere betrachten Zhan und Co. die beiden häufigsten Konfigurationen. Das erste ist einfach polymerisiertes Benzol – ein Stapel dieser Ringe, die miteinander verbunden sind. Das ist ein starres Molekül, das mit zunehmender Länge immer spröder wird. Etwas Komplexes mit langen Abschnitten aus Polybenzol zu konstruieren, wäre wie der Versuch, mit ungekochten Spaghetti zu nähen.
Aber es gibt eine andere Konfiguration von Kohlenstoffatomen, die als Stone-Wales-Defekte bekannt sind, und diese sind viel formbarer. Tatsächlich wirken die Stone-Wales-Defekte wie Scharniere, die Abschnitte von Polybenzol verbinden.
Zhan und Co simulieren, wie sich die Eigenschaften des Nanofadens ändern, wenn die Dichte dieser Defekte zunimmt. Und sie kommen zu dem Schluss, dass, wenn die Dichte eine bestimmte Schwelle überschreitet, der Faden plötzlich von spröde zu völlig flexibel wird – ähnlich wie der Unterschied zwischen ungekochten und gekochten Spaghetti.
Das ist ein interessantes Ergebnis. Dies impliziert, dass die Eigenschaft des Nanofadens einfach durch Steuern der Dichte von Stone-Wales-Defekten entlang seiner Länge eingestellt werden kann. So können einige Teile des Fadens starr gemacht werden, während andere vollständig flexibel sind.
Was ist mit möglichen Anwendungen? Seine hochgradig einstellbare Duktilität zusammen mit seiner ultraleichten Dichte und seinem hohen Elastizitätsmodul machen Diamant-Nanofäden ideal für die Schaffung extrem starker dreidimensionaler Nanoarchitekturen, sagen Zhan und Co.
Natürlich ist diese Arbeit nur eine Simulation. Es wird mit ziemlicher Sicherheit Unterschiede zwischen seinen Vorhersagen und dem Verhalten von Diamant-Nanofäden in der realen Welt geben. Der nächste Schritt wird also für Materialwissenschaftler sein, einige Nanofaden-Bausätze zu erstellen und damit zu beginnen, die Eigenschaften dieses Materials real zu messen.
Angesichts des enormen Interesses an der Kohlenstoffarchitektur und der enormen Geldsummen, die in diesen Bereich fließen – allein die Europäische Union hat ein 1-Milliarde-Euro-Forschungsprojekt, das sich ausschließlich auf Graphen konzentriert – wird es sicherlich nicht lange dauern, bis wir Diamant-Nanofäden im Fleisch sehen werden und einige der außergewöhnlichen Anwendungen, die es ermöglichen sollte.
Ref: arxiv.org/abs/1511.01583 : Von spröde zu duktil: Eine strukturabhängige Duktilität von Diamond Nanothread