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| La struttura cristallina di uno strato di graphyne. Credito: Yiming Hu |
di Cay Leytham-Powell,
Università del Colorado a Boulder
Per oltre un decennio, gli scienziati hanno tentato di sintetizzare una nuova forma di carbonio chiamata graphyne con scarso successo. Questo sforzo è ora al termine, tuttavia, grazie a una nuova ricerca dell'Università del Colorado Boulder.
La grafine è stata a lungo di interesse per gli scienziati a causa delle sue somiglianze con il "materiale meraviglioso" grafene, un'altra forma di carbonio molto apprezzata dall'industria la cui ricerca è stata persino insignita del Premio Nobel per la fisica nel 2010. Tuttavia, nonostante decenni di lavoro e teorizzando, prima d'ora sono stati creati solo pochi frammenti.
Questa ricerca, annunciata la scorsa settimana su Nature Synthesis , colma una lacuna di lunga data nella scienza dei materiali in carbonio, aprendo potenzialmente nuove possibilità per l'elettronica, l'ottica e la ricerca sui materiali semiconduttori.
"L'intero pubblico, l'intero campo, è davvero entusiasta del fatto che questo problema di vecchia data, o questo materiale immaginario, si stia finalmente realizzando", ha affermato Yiming Hu, autore principale dell'articolo e laureato in chimica nel 2022.
Gli scienziati sono da tempo interessati alla nuove costruzione di nuovi allotropi di carbonio, o forme di carbonio, a causa dell'utilità del carbonio per l'industria, nonché della sua versatilità.
Esistono diversi modi in cui gli allotropi del carbonio possono essere costruiti a seconda di come vengono utilizzati sp2, sp3 e sp il carbonio ibridato (o dei diversi modi in cui gli atomi di carbonio possono legarsi ad altri elementi) e dei loro legami corrispondenti. Gli allotropi di carbonio più noti sono la grafite (usata in strumenti come matite e batterie) e i diamanti, che sono creati rispettivamente da carbonio sp2 e carbonio sp3.
Usando i metodi della chimica tradizionale, gli scienziati hanno creato con successo vari allotropi nel corso degli anni, tra cui il fullerene (la cui scoperta ha vinto il Premio Nobel per la chimica nel 1996) e il grafene.
Tuttavia, questi metodi non consentono di sintetizzare insieme i diversi tipi di carbonio in qualsiasi tipo di grande capacità, come ciò che è richiesto per graphyne, che ha lasciato il materiale teorizzato - ipotizzato per avere proprietà di conduzione degli elettroni, meccaniche e ottiche uniche - rimanere tale: una teoria.
Ma è stata anche quella necessità del non tradizionale che ha portato quelli sul campo a contattare il gruppo di laboratorio di Wei Zhang.
Zhang, professore di chimica alla CU Boulder, studia la chimica reversibile, che è la chimica che consente ai legami di autocorreggersi, consentendo la creazione di nuove strutture ordinate, o reticoli, come polimeri sintetici simili al DNA .
Dopo essere stati avvicinati, Zhang e il suo gruppo di laboratorio hanno deciso di fare un tentativo.
La creazione di graphyne è una "domanda molto vecchia e di vecchia data, ma poiché gli strumenti sintetici erano limitati, l'interesse è diminuito", Hu, che era un dottorato di ricerca. studente nel gruppo di laboratorio di Zhang, ha commentato. "Abbiamo tirato fuori di nuovo il problema e abbiamo utilizzato un nuovo strumento per risolvere un vecchio problema che è davvero importante".
Utilizzando un processo chiamato metatesi dell'alchino, che è una reazione organica che comporta la ridistribuzione, o taglio e riformazione, di legami chimici alchinici (un tipo di idrocarburo con almeno un triplo legame covalente carbonio - carbonio ), nonché termodinamica e controllo cinetico , il gruppo è stato in grado di creare con successo ciò che non era mai stato creato prima: un materiale che poteva rivaleggiare con la conduttività del grafene ma con controllo.
"C'è una differenza piuttosto grande (tra grafene e graphyne), ma in senso positivo", ha detto Zhang. "Questo potrebbe essere il materiale meraviglioso della prossima generazione. Ecco perché le persone sono molto eccitate".
Sebbene il materiale sia stato creato con successo, il team vuole comunque esaminarne i dettagli particolari, incluso come creare il materiale su larga scala e come può essere manipolato.
"Stiamo davvero cercando di esplorare questo nuovo materiale da più dimensioni, sia sperimentalmente che teoricamente, dal livello atomico ai dispositivi reali", ha detto Zhang dei prossimi passi.
Questi sforzi, a loro volta, dovrebbero aiutare a capire come le proprietà ottiche e di conduzione degli elettroni del materiale possono essere utilizzate per applicazioni industriali come le batterie agli ioni di litio .
"Speriamo in futuro di poter ridurre i costi e semplificare la procedura di reazione e quindi, si spera, le persone possano davvero trarre vantaggio dalla nostra ricerca", ha affermato Hu.
Per Zhang, questo non sarebbe mai stato possibile senza il supporto di un team interdisciplinare, aggiungendo: "Senza il supporto del dipartimento di fisica, senza il supporto dei colleghi, questo lavoro probabilmente non sarebbe stato possibile".
Per oltre un decennio, gli scienziati hanno tentato di sintetizzare una nuova forma di carbonio chiamata graphyne con scarso successo. Questo sforzo è ora al termine, tuttavia, grazie a una nuova ricerca dell'Università del Colorado Boulder.
La grafine è stata a lungo di interesse per gli scienziati a causa delle sue somiglianze con il "materiale meraviglioso" grafene, un'altra forma di carbonio molto apprezzata dall'industria la cui ricerca è stata persino insignita del Premio Nobel per la fisica nel 2010. Tuttavia, nonostante decenni di lavoro e teorizzando, prima d'ora sono stati creati solo pochi frammenti.
Questa ricerca, annunciata la scorsa settimana su Nature Synthesis , colma una lacuna di lunga data nella scienza dei materiali in carbonio, aprendo potenzialmente nuove possibilità per l'elettronica, l'ottica e la ricerca sui materiali semiconduttori.
"L'intero pubblico, l'intero campo, è davvero entusiasta del fatto che questo problema di vecchia data, o questo materiale immaginario, si stia finalmente realizzando", ha affermato Yiming Hu, autore principale dell'articolo e laureato in chimica nel 2022.
Gli scienziati sono da tempo interessati alla nuove costruzione di nuovi allotropi di carbonio, o forme di carbonio, a causa dell'utilità del carbonio per l'industria, nonché della sua versatilità.
Esistono diversi modi in cui gli allotropi del carbonio possono essere costruiti a seconda di come vengono utilizzati sp2, sp3 e sp il carbonio ibridato (o dei diversi modi in cui gli atomi di carbonio possono legarsi ad altri elementi) e dei loro legami corrispondenti. Gli allotropi di carbonio più noti sono la grafite (usata in strumenti come matite e batterie) e i diamanti, che sono creati rispettivamente da carbonio sp2 e carbonio sp3.
Usando i metodi della chimica tradizionale, gli scienziati hanno creato con successo vari allotropi nel corso degli anni, tra cui il fullerene (la cui scoperta ha vinto il Premio Nobel per la chimica nel 1996) e il grafene.
Tuttavia, questi metodi non consentono di sintetizzare insieme i diversi tipi di carbonio in qualsiasi tipo di grande capacità, come ciò che è richiesto per graphyne, che ha lasciato il materiale teorizzato - ipotizzato per avere proprietà di conduzione degli elettroni, meccaniche e ottiche uniche - rimanere tale: una teoria.
Ma è stata anche quella necessità del non tradizionale che ha portato quelli sul campo a contattare il gruppo di laboratorio di Wei Zhang.
Zhang, professore di chimica alla CU Boulder, studia la chimica reversibile, che è la chimica che consente ai legami di autocorreggersi, consentendo la creazione di nuove strutture ordinate, o reticoli, come polimeri sintetici simili al DNA .
Dopo essere stati avvicinati, Zhang e il suo gruppo di laboratorio hanno deciso di fare un tentativo.
La creazione di graphyne è una "domanda molto vecchia e di vecchia data, ma poiché gli strumenti sintetici erano limitati, l'interesse è diminuito", Hu, che era un dottorato di ricerca. studente nel gruppo di laboratorio di Zhang, ha commentato. "Abbiamo tirato fuori di nuovo il problema e abbiamo utilizzato un nuovo strumento per risolvere un vecchio problema che è davvero importante".
Utilizzando un processo chiamato metatesi dell'alchino, che è una reazione organica che comporta la ridistribuzione, o taglio e riformazione, di legami chimici alchinici (un tipo di idrocarburo con almeno un triplo legame covalente carbonio - carbonio ), nonché termodinamica e controllo cinetico , il gruppo è stato in grado di creare con successo ciò che non era mai stato creato prima: un materiale che poteva rivaleggiare con la conduttività del grafene ma con controllo.
"C'è una differenza piuttosto grande (tra grafene e graphyne), ma in senso positivo", ha detto Zhang. "Questo potrebbe essere il materiale meraviglioso della prossima generazione. Ecco perché le persone sono molto eccitate".
Sebbene il materiale sia stato creato con successo, il team vuole comunque esaminarne i dettagli particolari, incluso come creare il materiale su larga scala e come può essere manipolato.
"Stiamo davvero cercando di esplorare questo nuovo materiale da più dimensioni, sia sperimentalmente che teoricamente, dal livello atomico ai dispositivi reali", ha detto Zhang dei prossimi passi.
Questi sforzi, a loro volta, dovrebbero aiutare a capire come le proprietà ottiche e di conduzione degli elettroni del materiale possono essere utilizzate per applicazioni industriali come le batterie agli ioni di litio .
"Speriamo in futuro di poter ridurre i costi e semplificare la procedura di reazione e quindi, si spera, le persone possano davvero trarre vantaggio dalla nostra ricerca", ha affermato Hu.
Per Zhang, questo non sarebbe mai stato possibile senza il supporto di un team interdisciplinare, aggiungendo: "Senza il supporto del dipartimento di fisica, senza il supporto dei colleghi, questo lavoro probabilmente non sarebbe stato possibile".
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