卡內(nèi)基大學(xué)研創(chuàng)柔性鉆石納米線

最近，由卡內(nèi)基大學(xué)的Samuel Dunning和Timothy Strobel領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家開發(fā)了一種原創(chuàng)技術(shù)，克服了眾多挑戰(zhàn)，最終預(yù)測并制造出了堅(jiān)固而又柔韌的鉆石納米線。這項(xiàng)創(chuàng)新使科學(xué)家們合成納米線更容易，向未來的實(shí)際應(yīng)用邁出了重要一步。這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《Journal of the American Chemical Society》上。

鉆石納米線是超細(xì)的一維碳鏈，比人類的頭發(fā)還要細(xì)幾萬倍。然而它與普通鉆石中的3D碳晶格不同，這些線的邊緣被碳?xì)滏I所“覆蓋”，整個(gè)結(jié)構(gòu)更具彈性。Dunning解釋說：因?yàn)榧{米線只有一個(gè)方向的化學(xué)鍵，因而可以彎曲，而鉆石則不能。科學(xué)家們預(yù)測，碳納米線的特性會有許多用途，比如科幻中的天梯及超強(qiáng)建筑。

如果想設(shè)計(jì)出特定用途的材料，就必須精確地理解所造納米材料的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)。由苯和其他六原子環(huán)制成的納米線，由于每個(gè)碳原子可以與不同的相鄰碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致許多可能的競爭反應(yīng)發(fā)生，會形成許多不同類型的納米線。這種不確定性是科學(xué)家在合成納米線時(shí)所面臨的最大障礙之一。納米線的精確化學(xué)結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)，Dunning的團(tuán)隊(duì)決定在環(huán)上加入氮取代碳，或許有助于引導(dǎo)反應(yīng)沿著預(yù)想的路徑進(jìn)行。他們選擇由4個(gè)碳和2個(gè)氮組成的6原子環(huán)噠嗪為原料，然后先從計(jì)算機(jī)模型開始研究。環(huán)體系中兩個(gè)氮原子減少了兩個(gè)可能的反應(yīng)點(diǎn)，競爭反應(yīng)大為減少，經(jīng)過幾次計(jì)算機(jī)模擬，顯示在高壓下能成功合成納米線。之后研究轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)室，研究小組取了一滴噠嗪將其放入一個(gè)鉆石砧壓槽中——這是一種通過壓縮產(chǎn)生極高壓力的傳統(tǒng)鉆石生產(chǎn)設(shè)備。利用紅外光譜和X射線衍射，他們在正常大氣壓30萬倍的情況下監(jiān)測噠嗪的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，尋找新生成的化學(xué)鍵。當(dāng)看到這種化學(xué)鍵的形成時(shí)，他們意識到已經(jīng)成功預(yù)測并在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造了第一個(gè)噠嗪鉆石納米線。

[靳愛民摘譯自Science News，2022-03-02]