Исследовательская группа заключила карбин в одностенные углеродные нанотрубки - крошечные структуры в форме трубок, полностью состоящие из углерода, которые в тысячи раз тоньше человеческого волоса. По словам исследователей, выполнение этого процесса при низких температурах делает карбин более стабильным и простым в производстве, что потенциально может привести к новым достижениям в материаловедении и технологии. Они назвали эту разработку "многообещающей новостью", поскольку ученые десятилетиями боролись за создание стабильной формы карбина в достаточно больших количествах для более глубокого исследования.

"История открытия carbyne похожа на детективную историю", - сказал Слава В. Роткин, профессор инженерных наук и механики и соавтор исследования, опубликованного ACS Nano. "Это было предсказано теоретически, но в течение многих лет попытки синтезировать его были безуспешными, потому что цепочки либо изгибались, либо образовывали непреднамеренные связи".

Эта нестабильность затрудняла изучение и еще труднее было представить себе использование в реальных приложениях. Однако, по словам Роткина, подобно графену, атомарно тонкому двумерному углеродному материалу, который уже применяется в некоторой электронике, чрезвычайная прочность и электронные свойства carbyne продолжают привлекать исследователей своим потенциалом революционизировать электронику. Однако с карбином тяга еще больше, поскольку он обладает встроенным преимуществом перед графеном.

"Подобно графену, карбин может позволять электронам перемещаться очень быстро", - сказал Роткин. "Однако у carbyne также есть нечто, называемое "полупроводниковой щелью", что делает его полезным для создания транзисторов, крошечных переключателей, которые питают электронику. Графен, с другой стороны, не имеет такого зазора, поэтому его нельзя использовать таким же образом".

Полупроводниковый зазор - это небольшой энергетический зазор, который позволяет материалу действовать как переключатель электрического тока. Графен в чистом виде сам по себе не может быть транзистором, потому что электроны всегда могут проходить через него, поскольку у него нет этого зазора. Графен может быть сконструирован таким образом, чтобы иметь зазор с помощью различных добавок и манипуляций, но карбин имеет зазор естественным образом. Это означает, что в будущем электроника на основе карбина сможет с легкостью обеспечивать более быструю и эффективную работу по сравнению с современными технологиями на основе кремния.

Наряду с потенциальным решением проблемы нестабильности, новый подход исследователей к синтезу может также устранить еще одно препятствие на пути к реализации огромного потенциала карбина. Одной из самых больших проблем в исследованиях карбина было его производство в значительных количествах. В прошлом карбин можно было получать лишь в небольших количествах, часто в экстремальных условиях, таких как высокие температуры, интенсивное давление или в химически активных средах. Именно эти факторы затрудняли ученым полное изучение его свойств. Однако новый метод синтеза меняет это.

По словам исследователей, что отличает этот новый метод, так это то, насколько он проще и эффективнее по сравнению со старыми методами. Во-первых, команда использовала специальный прекурсор, который действует как щадящий исходный материал, называемый холатом аммония, для выращивания карбина при гораздо более низких температурах. Во-вторых, они использовали одностенные углеродные нанотрубки в качестве своего рода защитной оболочки вокруг карбина, которая работает намного лучше, чем более толстые многослойные трубки, использовавшиеся в прошлом. Эта оболочка помогает сохранять стабильность хрупкого карбина. Наконец, новый метод позволяет получать гораздо больше карбина, чем раньше, а это значит, что теперь ученые могут изучить его более подробно и изучить, как его можно использовать в реальных приложениях.

"Двумя основными достижениями этой технологии являются ее низкая стоимость и высокая урожайность", - сказал Роткин. "Это открывает двери для более широких исследований, как в области фундаментальной науки, так и перехода к реальным приложениям".

Заключив карбин в углеродные нанотрубки, исследователи также нашли способ сохранить его уникальные свойства. Нанотрубки действуют как защитные оболочки, предотвращая разрушение карбина и в то же время позволяя ученым изучать его почти в чистом виде.

"Важно отметить, что одностенные нанотрубки не сильно нарушают карбиновую цепь", - отметил Роткин. "Существуют только слабые ван-дер-ваальсовы взаимодействия - слабые силы, которые позволяют карбину оставаться на месте, не связываясь со стенками нанотрубок".

По словам Роткина, в то время как реальные приложения все еще находятся на ранних стадиях, потенциал carbyne огромен. Поскольку это сильно коррелированный материал, его свойства выходят за рамки классической физики, а это означает, что он может найти применение в вычислительной технике следующего поколения и нанотехнологиях.

"Материалы, подобные этому, обладают сложным поведением, как когда они находятся в своем нормальном состоянии, так и когда они возбуждены", - сказал Роткин. "Это означает, что мы имеем дело с квантовыми материалами, которые могут привести к совершенно новым технологиям".

Исследовательская группа также сделала неожиданное открытие в ходе исследования. Они обнаружили, что обычный растворитель - холат, соль холевой кислоты, которую человеческий организм использует для растворения органических соединений, - может превращаться в карбиновые цепи без дополнительных сложных стадий.

"Было полной неожиданностью, что такой обычный растворитель, как холат, может трансформироваться в карбиновую цепь без каких-либо дальнейших проблем", - сказал Роткин. "Это показало, как даже знакомые материалы могут играть новую роль в современной химии".

Хотя многие вопросы о carbyne остаются без ответа, Роткин сказал, что считает это значительным шагом вперед. Благодаря стабильному способу получения карбина в больших количествах исследователи теперь могут более глубоко изучить его потенциал.

"В прошлом объема материала, доступного для изучения, едва хватало одной или двум группам, чтобы подтвердить его существование", - сказал Роткин. "Теперь у нас есть возможность по-настоящему понять его свойства и области применения".

Вместе с Роткиным, Бо-Вэнь Чжаном, Си-Ян Цю, Цинмэй Ху, Икумой Кохатой, Шохеем Чиаши, Кейго Оцукой и Сигео Маруямой из Токийского университета; Ичэн Ма, Юнцзя Чжэн и Ронг Сян из Чжэцзянского университета; Айна Фито-Парера, Дмитрий И. Левшов, Софи Камбре и Вим Венселирс из Университета Антверпена; Я Фэн из Даляньского университета; Ютака Мацуо из Университета Нагои; и Юхуан Ванг и Чию Чжан из Мэрилендского университета также внесли свой вклад в это исследование. Маруяма возглавлял исследовательскую группу и был соответствующим автором статьи.

Министерство энергетики США и Японское общество содействия развитию науки поддержали это исследование.