Ученые открыли новый наноматериал - алмазные нанонити из сжатого жидкого бензола

Ученые из Университета Пенсильвании сообщили об открытии самого прочного и жесткого наноматериала, известного миру на сегодняшний день, на основе алмаза. Свойства этого сверхпрочного наноматериала предполагают его применение в таких важных областях, как, например, транспорт или аэрокосмическая промышленность, и это могло бы возродить идею строительства лифтов в космос.

кольца шести атомов углерода сплетаются, образуя алмазные нанонити. Изображение - John Badding lab, Penn State Univeristy Группа ученых под руководством химика Джона Баддинга из Университета Пенсильвании обнаружили, что отдельные молекулы бензола в жидком состоянии, состоящие из колец атомов углерода, собираются в удивительно аккуратно организованные цепи после медленно чередующихся циклов давления.
В результате, полученная нить имеет диаметр всего три атома и в тысячи раз тоньше волоса. Образующее нить зигзагообразное расположение колец атомов углерода имеет форму треугольной пирамиды подобно алмазу.
Такая структура материала, которую ученые до настоящего открытия считали невозможной, может оказаться самым сильным и прочным наноматериалом из когда-либо полученных.
Уникальное открытие свой команды Баддинг считает счастливой случайностью. Томас Фитцгиббонс, аспирант лаборатории Баддинга, хотел изучить материалы, полученные из органического химического соединения бензола. При изоляции, молекулы бензола могут реагировать интересными способами, в результате образуя уникальные структуры. Для изучения этих структур обычными методами, Фитцгиббонсу понадобилось большое количество продукта. Он положил образец жидкого бензола в устройство под названием Париж-Эдинбург в Национальной лаборатории Oak Ridge в штате Теннесси и поставил молекулы в ячейку высокого давления. Суть процесса состояла в том, что когда жидкость под сильным давлением сжимается, она переходит в состояние твердого вещества. "По существу, она замерзает," говорит Баддинг. После замораживания молекулы бензола выравниваются в предсказуемые модели уложенных столбцов.
Дальше события развивались необычно. Учеными принято считать, что поскольку сжатие продолжается, молекулы бензола в конечном итоге дают невзрачный белый порошок. "Люди думали, что они реагируют дезорганизованным способом и не образуют упорядоченную структуру," говорит Баддинг.

Но вместо этого, в беспорядке Фитцгиббонс увидел порядок. "Это, по меньшей мере, было шоком для нас"- признается Баддинг. Исследователи были настолько удивлены, что они начали использовать разные методики для подтверждения полученного вывода, в том числе рентген и нейтронную дифракцию, просвечивающую электронную микроскопию и колебательную спектроскопию. Их результаты подтвердились: они увидели упорядоченность.
Причина этого неожиданного выравнивания молекул бензола может быть связана с временем сжатия. Обычно ученые создают бензольные материалы в небольших количествах способом быстрых циклов изменения давления. Для того, чтобы получать больше продукта, циклы сжатия должна быть медленнее. "Очевидно, мы дали молекуле бензола время на подготовку для образования структуры, в частности нанонитей," говорит Баддинг. Это медленное сжатие стало ключом к их открытию.
Профессор Юрий Гогоци, директор Института Нанотехнологий Университета Дрекселя, считает результаты действительно захватывающим, но все же они требуют повторного подтверждения и анализа материала. По мнению профессора Юрия Гогоци, нужно получить и изучить много изображений высокого разрешения, которые могут в дальнейшем пролить свет на структуру этого необычного материала. "Если окажется, что предположение группы Баддинга верно, то, я считаю, есть веские основания полагать это открытие очень значительным."
Перед использованием нанонитей в коммерческих целях, Баддинг хочет определить их свойства и поведение в различных условиях и понять, каким именно образом связываются молекулы бензола. По его словам, исследования могут занять годы. Потом инженерам необходимо будет выяснить, как лучше всего запустить массовое производство нанонитей и включить их в существующую производственную инфраструктуру для различных целей. Похоже, что для начала, эти нити смогут заменить углеродное волокно, которое слабее и тяжелее, в таких коммерческих продуктах как велосипедные рамы, корпуса самолетов.
Возможно, в далеком будущем, нанонити будут натягивать в космос для доставки припасов на Международную космическую станцию или для взаимодействия с орбитальными спутниками. Футуристы уже давно предполагали изобретение космического лифта, когда кабель закрепляется на Земле и натягивается к спутнику на орбите, но для противостояния высотным ветрам и благополучной переправы кабель должен быть достаточно прочным и длинным, что до сих пор является серьезным вызовом для ученых. Обычные стальные тросы рвутся под действием собственного веса, в то время как алмазные нанонити в принципе могут быть одновременно легким и прочным материалом для выполнения данной задачи.
Даже если эти нанонити не найдут свое применение в области доставки на орбиту, их открытие все равно должно проложить путь к лучшей альтернативе. Это не единственный случай, когда ученые изобрели алмазную структуру, сплетая углеродные кольца в уникальные конфигурации. Алмаз подобные атомы углерода, также называемые аморфные атомы углерода, обычно применяются в качестве покрытий для других материалов, в качестве защитного слоя на металлическую подложку.
Профессор Юрий Гогоци считает, что открытие новой структуры является удивительным и интересным, и в первую очередь это исследование подсказывает химикам о том, что открытие других подобных структур не за горами.

"Эта группа исследователей показала, что в семье алмазных структур появился еще один материал, и я точно уверен, что он далеко не последний", говорит профессор Ю. Гогоци. Если это действительно так, то в перспективе может быть построен космический лифт, а там уже и действительно можно говорить о небе в алмазах.

По материалам: www.scientificamerican.com