像金剛石一樣堅(jiān)硬，像塑料一樣柔韌，備受追捧的金剛石納米線將徹底改變我們的世界（如果它們不那么難制造的話）。最近，一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種原創(chuàng)技術(shù)，可以預(yù)測(cè)和指導(dǎo)有序創(chuàng)建堅(jiān)固而靈活的金剛石納米線，克服了幾個(gè)現(xiàn)有的挑戰(zhàn)。這項(xiàng)創(chuàng)新將使科學(xué)家們更容易合成納米線——這是未來將該材料應(yīng)用于實(shí)際問題的重要一步。

       最近，由 Carnegie Science 的 Samuel Dunning 和 Timothy Strobel 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種原創(chuàng)技術(shù)，可以預(yù)測(cè)和指導(dǎo)有序創(chuàng)建堅(jiān)固而靈活的金剛石納米線，克服了幾個(gè)現(xiàn)有的挑戰(zhàn)。這項(xiàng)創(chuàng)新將使科學(xué)家們更容易合成納米線——這是未來將該材料應(yīng)用于實(shí)際問題的重要一步。這項(xiàng)工作最近發(fā)表在 American Chemical Society 上。

       金剛石納米線是超薄的一維碳鏈，比人類的頭發(fā)還要細(xì)幾萬倍。它們通常是通過將較小的碳基環(huán)壓縮在一起形成相同類型的鍵，從而使鉆石成為地球上最堅(jiān)硬的礦物。

       然而，與普通鉆石中發(fā)現(xiàn)的 3D 碳晶格不同，金剛石納米線的邊緣被碳?xì)滏I“覆蓋”，這使得整個(gè)結(jié)構(gòu)變得靈活。

       Dunning 解釋說：“因?yàn)榧{米線只有一個(gè)方向的鍵，它們可以以普通鉆石無法彎曲的方式彎曲。”

       科學(xué)家預(yù)測(cè)，碳納米線的獨(dú)特性能將有一系列有用的應(yīng)用，從在太空電梯上提供類似于科幻的腳手架，到制造超強(qiáng)織物。然而，科學(xué)家們很難創(chuàng)造出足夠的納米線材料來實(shí)際測(cè)試他們提出的超能力。

      “如果我們想為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)材料，” Dunning 說，“我們必須準(zhǔn)確了解我們正在制造的納米線的結(jié)構(gòu)和結(jié)合。這種線程指導(dǎo)方法真的讓我們能夠做到這一點(diǎn)！”

最大的挑戰(zhàn)之一是讓碳原子以可預(yù)測(cè)的方式反應(yīng)。在由苯和其他六原子環(huán)制成的納米線中，每個(gè)碳原子可以與不同的相鄰碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這導(dǎo)致了許多可能的相互競(jìng)爭(zhēng)的反應(yīng)和許多不同的納米線配置。這種不確定性是科學(xué)家在合成可以確定精確化學(xué)結(jié)構(gòu)的納米線時(shí)面臨的最大障礙之一。

       Dunning 的團(tuán)隊(duì)確定，在環(huán)上添加氮取代碳可能有助于引導(dǎo)反應(yīng)沿著可預(yù)測(cè)的路徑進(jìn)行。他們選擇從吡嗪開始研究，這是一個(gè)由4個(gè)碳和2個(gè)氮組成的6原子環(huán)，然后開始研究計(jì)算機(jī)模型。鄧寧與多諾斯蒂亞國際物理中心的陳博，以及羅格斯大學(xué)和卡內(nèi)基校友大學(xué)的助理教授李竺合作，模擬了噠嗪分子在高壓下的行為。

      “在我們的系統(tǒng)中，我們使用兩個(gè)氮原子從環(huán)系統(tǒng)中去除兩個(gè)可能的反應(yīng)位點(diǎn)。這極大地減少了可能的反應(yīng)的數(shù)量，” Dunning 說。

       在運(yùn)行了幾次計(jì)算機(jī)模擬顯示在高壓下成功形成納米線后，他們準(zhǔn)備把這個(gè)實(shí)驗(yàn)帶到實(shí)驗(yàn)室。

       該團(tuán)隊(duì)取一滴噠嗪并將其裝入金剛石砧室——該裝置允許科學(xué)家通過在更傳統(tǒng)的金剛石的微小尖端之間壓縮樣品來產(chǎn)生極端壓力。使用紅外光譜和 X 射線衍射，他們?cè)谡４髿鈮?0萬倍的情況下監(jiān)測(cè)了噠嗪化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，以尋找新的化學(xué)鍵的生成。

       噠嗪的起始樣品——一個(gè)由四個(gè)碳和兩個(gè)氮組成的六原子環(huán)——隨著金剛石納米線形成的進(jìn)展在壓力下發(fā)生變化。第一張和最后一張圖像顯示，螺紋形成后樣品之間的顏色發(fā)生了永久性變化。這些圖像沒有顯示單個(gè)線程，而是顯示壓縮過程中的“大塊”噠嗪樣品，每個(gè)樣品厚約 40 微米，直徑為 180 微米。

 圖片來源：Samuel Dunning

       當(dāng)他們看到化學(xué)鍵的形成時(shí)，他們意識(shí)到他們已經(jīng)成功預(yù)測(cè)并在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造了第一個(gè)噠嗪金剛石納米線。

       “我們的反應(yīng)途徑產(chǎn)生了一種令人難以置信的有序納米線，” Dunning 說?！皩⑵渌蛹{入納米線骨架、指導(dǎo)反應(yīng)和了解納米線的化學(xué)環(huán)境的能力，將為研究人員開發(fā)納米線技術(shù)節(jié)省寶貴的時(shí)間?！?br/>

       使用這些非碳原子來引導(dǎo)納米線形成的過程，Dunning 稱之為“線引導(dǎo)（thread directing）”，是未來科學(xué)家可以預(yù)見地創(chuàng)造這些材料并將其用于高級(jí)應(yīng)用的重要一步。既然這種合成策略已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)， Dunning 計(jì)劃識(shí)別和測(cè)試許多可能的納米線前體。他也迫不及待地開始測(cè)試噠嗪納米線。

       Dunning 總結(jié)道：“既然我們知道我們可以制造這種材料，我們就需要開始制造足夠的材料來學(xué)習(xí)足夠的知識(shí)，以確定其機(jī)械、光學(xué)和電子性能!”

論文信息：

Samuel G. Dunning, Li Zhu, Bo Chen, Stella Chariton, Vitali B. Prakapenka, Maddury Somayazulu, Timothy A. Strobel. Solid-State Pathway Control via Reaction-Directing Heteroatoms: Ordered Pyridazine Nanothreads through Selective Cycloaddition. Journal of the American Chemical Society, 2022; 144 (5): 2073 DOI: 10.1021/jacs.1c12143

來源：carnegiescience.edu