Gizemli karbon-Japon bilim adamları, negatif eğriliğe sahip karbon malzemeleri hazırlamayı başardılar. Malzemelerde yeniden devrim yapacaklar mı?
Karbon çok yaygın bir kimyasal elementtir, ancak gizemli ve bilinmeyen renklerle doludur. Son derece sert elmas ve yumuşak ve pürüzsüz grafit, karbon ailesindeki en ünlü üç boyutlu karbon kristalleridir; 1980'lerde bilim adamları ilk olarak 20 normal altıgen ve 12 normal beşgenden oluşan fulleren karbonu (C60) keşfettiler. Karbon atomları, düşük erime noktası, düşük sertlik ve yalıtım ile küresel bir kubbe yapısında bağlanır.
1990'larda ilk kez keşfedilen karbon nanotüpler, altıgen şeklinde düzenlenmiş karbon atomlarından oluşan birkaç ila düzinelerce katman içeren koaksiyel dairesel tüpler ile karakterize edilir.Katmanlar arasındaki mesafe yaklaşık 0.34 nm'dir ve yüksek mukavemete sahiptir. , İyi iletkenlik ve ısı transfer performansı; 21. yüzyılda, İngiliz bilim adamları, tek atomlu tabakalı grafeni başarıyla hazırladılar.Bu yeni karbon malzeme, altıgen bir ağ yapısına ve mükemmel optik, elektriksel ve mekanik özelliklere sahip, küresel olarak hızla patladı , 21. yüzyılın en etkili yeni malzemesi olmak!
Fullerenler, karbon nanotüpler ve grafen arasında kaçınılmaz bir ilişki vardır. Altıgen bir yapıdan oluşan düz bir grafen levha kusurlara sahip olduğunda ve altıgenin bir kısmı bir beşgen ile değiştirildiğinde, futbol şeklinde bir fulleren oluşturmak için üç boyutlu bir alanda sarılabilir. Benzer şekilde, grafen altıgen kusurları da onu bir silindire bükerek nanotüp üretebilir.
1880'lerde Alman fizikçi Hermann Schwartz, sabun kabarcıklarının yüzeyine benzer şekilde negatif eğimli (içbükey) yapıyı inceledi ve 1990'larda karbon kafes molekülleri üzerine teorik araştırmalarda bir artış oldu. Ayrıca Schwarzites karbon kafesleri adı verilen negatif eğriliğe sahip karbon kafesler de olabilir. Ancak, negatif eğriliğe sahip karbon yapılar hiçbir zaman rapor edilmemiştir. Şimdiye kadar pozitif eğrili fullerenler keşfedildi ve sıfır eğrili grafenler başarıyla hazırlandı ve sırasıyla 1996 ve 2010'da bilim camiasının en büyük ödülü olan Nobel Ödülü'nü kazandı.
Zeolitin karbon materyalleri hazırlamak için şablon olarak kullanılması yaygın bir araştırma yöntemidir. Son zamanlarda, Koreli ve Japon bilim adamları, zeolitin gözeneklerinde başarılı bir şekilde bir schwarzite kafes yapısı oluşturmak için zeolit şablon karbonu (ZTC) kullandılar. Araştırmacılar, karbon içeren moleküllerin buharlarını zeolitin içine enjekte ederek karbonun zeolitin gözenek duvarlarına yapışmasını ve iki boyutlu grafen benzeri tabakalar halinde birleşmesini sağladı. Spesifik yüzey Gibbs serbest enerjisi en küçük olma eğiliminde olduğundan, iki boyutlu grafen tabakasının yüzeyi, yüzey alanını en aza indirmek için gerilir ve eyer benzeri bir negatif eğrilik yüzeyi oluşturur. Sonunda başarıyla üç yeni tip karbon yapı molekülü elde edildi.
Bu sonuç derhal Berkeley'deki California Üniversitesi'ndeki kimyagerlerin dikkatini çekti ve sonunda bunun kimyagerlerin her zaman hayalini kurduğu schwarzite karbon yapısı olduğunu kanıtladı.
Araştırmacılar, ZTC yapısını hesaplamak için bilinen zeolit yapısını kullandılar ve Schwarzites karbon kafesleri yapmak için kullanılabilecek benzer bir yapıya sahip en küçük yüzeyi belirlemek için İsviçreli topolojik matematikçilerle birlikte çalıştılar. Sonuçlar, schwarzites karbon kafesinin, uygun zeolit seçilerek özelliklerini optimize edecek şekilde ayarlanabileceğini göstermektedir. Araştırmacılar, yaklaşık 200 zeolit yapısından sadece 15'inin schwarzit karbon kafesleri yapmak için şablon olarak kullanılabileceğini ve şimdiye kadar sadece üç ZTC yapısının schwarzite karbon kafeslerini başarıyla hazırladığını söyledi.
Teorik araştırmalara dayanarak, schwarzites karbon kafesinin yüzeyi büyük miktarda yük taşımalıdır, bu da onu mükemmel performansa sahip bir süper kapasitör malzemesi yapar; ve daha geniş spesifik yüzey alanı, petrol ve gaz endüstrisindeki organik reaksiyonları katalize etmek için kullanılmasını sağlayabilir; Hacim birçok türde atom ve molekülü depolayabilir. Kimyacılar, schwarzites karbon kafeslerinin süperkapasitörler, pil elektrotları ve katalizörler olarak kullanılabilen benzersiz elektronik, manyetik ve optik özelliklere sahip olacağını ve gaz depolama ve ayırma için uygun geniş iç boşluklara sahip olacağını tahmin ediyor.
