Новое исследование раскрывает характеристики карбина — аллотропной формы углерода, более прочной, чем графен и алмаз.

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.

Ученые также отметили ярко выраженную зависимость ширины запрещенной зоны карбина от величины механических напряжений, измерили его электрическую проводимость, модуль упругости и другие характеристики.

По материалам PhysOrg, MIT Technology Review