I över ett decennium har forskare försökt syntetisera en ny form av kol som kallas grafyn med begränsad framgång. Men den strävan är nu över, tack vare ny forskning från University of Colorado Boulder.

Grafyn har länge varit av intresse för forskare på grund av dess likheter med "undermaterialet" grafen — en annan form av kol som värderas högt av industrin vars forskning till och med belönades med Nobelpriset i fysik 2010. Men trots årtionden av arbete och teoretiskt har bara några få fragment någonsin skapats tidigare.

Denna forskning tillkännagavs förra veckan i Nature Synthesis , fyller en långvarig lucka inom kolmaterialvetenskap, vilket potentiellt öppnar helt nya möjligheter för forskning om elektronik, optik och halvledande material.

"Hela publiken, hela fältet, är verkligen glada över att detta långvariga problem, eller detta imaginära material, äntligen förverkligas", säger Yiming Hu, huvudförfattare på tidningen och doktorand i kemi 2022.

Forskare har länge varit intresserade av konstruktionen av nya eller nya kolallotroper, eller former av kol, på grund av kolets användbarhet för industrin, såväl som dess mångsidighet.

Det finns olika sätt att konstruera kolallotroper beroende på hur sp2, sp3 och sp hybridiserade kol (eller de olika sätt som kolatomer kan binda till andra element) och deras motsvarande bindningar, används. De mest kända kolallotroperna är grafit (används i verktyg som pennor och batterier) och diamanter, som skapas av sp2-kol respektive sp3-kol.

Med hjälp av traditionella kemimetoder har forskare framgångsrikt skapat olika allotroper genom åren, inklusive fulleren (vars upptäckt vann Nobelpriset i kemi 1996) och grafen.

Dessa metoder tillåter dock inte att de olika typerna av kol syntetiseras tillsammans i någon form av stor kapacitet, som vad som krävs för grafyn, som har lämnat det teoretiserade materialet - spekulerats ha unika elektronledande, mekaniska och optiska egenskaper - att förbli det:en teori.

Men det var också behovet av det otraditionella som fick dem på fältet att nå ut till Wei Zhangs labbgrupp.

Zhang, professor i kemi vid CU Boulder, studerar reversibel kemi, vilket är kemi som tillåter bindningar att korrigera sig själv, vilket möjliggör skapandet av nya ordnade strukturer, eller gitter, såsom syntetiska DNA-liknande polymerer.

Efter att ha blivit tilltalad bestämde sig Zhang och hans labbgrupp för att ge det ett försök.

Att skapa grafyn är en "riktigt gammal, långvarig fråga, men eftersom de syntetiska verktygen var begränsade sjönk intresset", Hu, som var doktor. student i Zhangs labbgrupp, kommenterade. "Vi tog fram problemet igen och använde ett nytt verktyg för att lösa ett gammalt problem som är riktigt viktigt."

Använda en process som kallas alkynmetates – vilket är en organisk reaktion som innebär omfördelning, eller skärning och reformering, av kemiska alkynbindningar (en typ av kolväte med minst en kol-kol trippel kovalent bindning) – såväl som termodynamik och kinetisk kontroll , lyckades gruppen skapa det som aldrig hade skapats förut:ett material som kunde konkurrera med grafenets ledningsförmåga men med kontroll.

"Det är en ganska stor skillnad (mellan grafen och grafyn) men på ett bra sätt," sa Zhang. "Det här kan bli nästa generations undermaterial. Det är därför folk är väldigt glada."

Även om materialet har skapats framgångsrikt, vill teamet fortfarande undersöka detaljerna i det, inklusive hur man skapar materialet i stor skala och hur det kan manipuleras.

"Vi försöker verkligen utforska detta nya material från flera dimensioner, både experimentellt och teoretiskt, från atomnivå till verkliga enheter," sa Zhang om nästa steg.

Dessa ansträngningar bör i sin tur hjälpa till att ta reda på hur materialets elektronledande och optiska egenskaper kan användas för industritillämpningar som litiumjonbatterier.

"Vi hoppas att vi i framtiden kan sänka kostnaderna och förenkla reaktionsproceduren, och då, förhoppningsvis, kan människor verkligen dra nytta av vår forskning", säger Hu.

För Zhang hade detta aldrig kunnat åstadkommas utan stöd från ett tvärvetenskapligt team, och tillägger:"Utan stöd från fysikavdelningen, utan lite stöd från kollegor, skulle det här arbetet förmodligen inte kunna utföras." + Utforska vidare

Syntes av tvådimensionell holey graphyne