(Phys.org) —Carbyne será o mais forte de uma nova classe de materiais microscópicos se e quando alguém puder fazer isso a granel.

Se eles fizerem, eles vão descobrir que os nanobastões ou nanoropos Carbyne têm uma série de propriedades notáveis ​​e úteis, conforme descrito em um novo artigo do físico teórico Boris Yakobson da Rice University e seu grupo. O artigo foi publicado esta semana no jornal American Chemical Society ACS Nano .

Carbyne é uma cadeia de átomos de carbono mantidos juntos por ligações atômicas duplas ou alternadas, simples e triplas. Isso o torna um verdadeiro material unidimensional, ao contrário de folhas de grafeno finas como átomos que têm uma parte superior e uma inferior ou nanotubos ocos que têm uma parte interna e outra externa.

De acordo com o retrato desenhado a partir de cálculos de Yakobson e seu grupo:

• A resistência à tração de Carbyne - a capacidade de resistir ao alongamento - ultrapassa "a de qualquer outro material conhecido" e é o dobro do grafeno. (Os cientistas já haviam calculado que seria necessário um elefante em um lápis para romper uma folha de grafeno.)
• Ele tem o dobro da rigidez à tração do grafeno e dos nanotubos de carbono e quase três vezes a do diamante.
• O alongamento de carbyne em apenas 10 por cento altera seu gap eletrônico significativamente.
• Se equipado com alças moleculares nas pontas, ele também pode ser torcido para alterar o gap. Com uma rotação ponta a ponta de 90 graus, ele se torna um semicondutor magnético.
• As cadeias de Carbyne podem assumir moléculas laterais que podem torná-las adequadas para armazenamento de energia.
• O material é estável à temperatura ambiente, resistindo amplamente às ligações cruzadas com cadeias próximas.

Esse é um conjunto notável de qualidades para uma cadeia simples de átomos de carbono, Yakobson disse.

"Você poderia vê-lo como uma fita de grafeno, em última análise, fina, reduzido a apenas um átomo, ou um nanotubo finalmente fino, "disse ele. Pode ser útil para sistemas nanomecânicos, em dispositivos spintrônicos, como sensores, como materiais fortes e leves para aplicações mecânicas ou para armazenamento de energia.

"Independentemente das aplicações, " ele disse, "academicamente, é muito emocionante saber o conjunto de átomos mais forte possível. "

Com base nos cálculos, ele disse que carbyne pode ser o estado de maior energia para o carbono estável. "As pessoas geralmente procuram o que é chamado de 'estado fundamental, 'a configuração de energia mais baixa possível para átomos, "Yakobson disse." Para o carbono, isso seria grafite, seguido por diamante, então nanotubos, então fulerenos. Mas ninguém pergunta sobre a configuração de energia mais alta. Achamos que pode ser isso, uma estrutura estável com a energia mais alta possível. "

As teorias sobre Carbyne apareceram pela primeira vez no século 19, e uma aproximação do material foi sintetizado pela primeira vez na URSS em 1960. Desde então, Carbyne foi visto em grafite comprimido, foi detectado na poeira interestelar e foi criado em pequenas quantidades por experimentalistas.

"Sempre me interessei pela estabilidade de fios finos de qualquer coisa e como uma haste fina que você poderia fazer a partir de um determinado produto químico, "Yakobson disse." Tínhamos um artigo há 10 anos sobre o silício no qual explorávamos o que acontece com o nanofio de silício à medida que ele fica mais fino. Para mim, isso era apenas uma parte da mesma pergunta. "

Os pesquisadores do Rice, liderado pelo estudante de pós-graduação de Rice Mingjie Liu e o pesquisador de pós-doutorado Vasilii Artyukhov, estavam cientes de uma série de documentos que descreviam uma propriedade ou outra de Carbyne. Eles se propuseram a detalhar Carbyne com modelos de computador usando regras de primeiro princípio para determinar as interações energéticas dos átomos, Artyukhov disse.

"Nossa intenção era juntar tudo, para construir uma imagem mecânica completa de Carbyne como um material, "Artyukhov disse." O fato de ter sido observado nos diz que é estável sob tensão, pelo menos, porque, de outra forma, ele simplesmente desmoronaria. "

Yakobson disse que os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que o gap em carbyne era tão sensível à torção. “Será útil como sensor de torção ou campos magnéticos, se você encontrar uma maneira de prendê-lo a algo que o fará torcer, "ele disse." Nós não procuramos por isso, especificamente; surgiu como um produto secundário. "

"Essa é a vantagem de estudar as coisas com cuidado, "Artyukhov disse.

Outra descoberta de grande interesse foi a barreira de energia que impede que os átomos em cadeias de carbyne adjacentes colapsem uns nos outros. “Quando você está falando sobre material teórico, você sempre precisa ter cuidado para ver se ele vai reagir consigo mesmo, "Artyukhov disse." Isso nunca foi realmente investigado por Carbyne. "

A literatura parecia indicar carbyne "não era estável e formaria grafite ou fuligem, " ele disse.

Em vez de, os pesquisadores descobriram que átomos de carbono em cordas separadas podem superar a barreira em um ponto, mas a rigidez das hastes impediria que se juntassem em um segundo local, pelo menos à temperatura ambiente. "Eles se pareceriam com asas de borboleta, "Artyukhov disse.

"Os pacotes podem grudar uns nos outros, mas eles não entrariam em colapso completamente, "Yakobson acrescentou." Isso poderia ser altamente poroso, rede aleatória que pode ser boa para adsorção. "Artyukhov disse que a área específica nominal de carbyne é cerca de cinco vezes a do grafeno.

Quando o artigo da equipe ficou disponível neste verão no arXiv, a imprensa científica e até mesmo parte da imprensa popular ficaram tão entusiasmadas com os cálculos que perceberam o papel e suas implicações antes de a equipe submetê-lo à revisão por pares. Agora que o jornal completo está pronto para consumo público, os pesquisadores disseram que levarão sua investigação em novas direções.

Eles estão examinando com mais rigor a condutividade do carbyne e pensando em outros elementos também. "Falamos sobre passar por diferentes elementos na tabela periódica para ver se alguns deles podem formar cadeias unidimensionais, "Yakobson disse.