(Phys.org) – För första gången, forskare har upptäckt hur man producerar ultratunna "diamant nanotrådar" som lovar extraordinära egenskaper, inklusive styrka och styvhet större än dagens starkaste nanorör och polymerer. En artikel som beskriver denna upptäckt av en forskargrupp ledd av John V. Badding, en professor i kemi vid Penn State, publicerades i numret av tidskriften den 21 september Naturmaterial .

"Från en grundvetenskaplig synvinkel, vår upptäckt är spännande eftersom trådarna vi bildade har en struktur som aldrig har setts förut, " sa Badding. Kärnan i nanotrådarna som Baddings team gjorde är en lång, tunn sträng av kolatomer ordnade precis som den grundläggande enheten i en diamants struktur - sicksack "cyklohexan"-ringar med sex kolatomer bundna tillsammans, där varje kol är omgivet av andra i den starka triangulära pyramidformen av en tetraeder. "Det är som om en otrolig juvelerare har satt ihop minsta möjliga diamanter till ett långt miniatyrhalsband, " sa Badding. "Eftersom den här tråden är diamant i hjärtat, vi förväntar oss att det kommer att visa sig vara utomordentligt styvt, utomordentligt stark, och utomordentligt användbar."

Teamets upptäckt kommer efter nästan ett sekel av misslyckade försök från andra laboratorier att komprimera separata kolhaltiga molekyler som flytande bensen till en ordnad, diamantliknande nanomaterial. "Vi använde den stora högtrycksanordningen från Paris-Edinburgh vid Oak Ridge National Laboratory för att komprimera en 6 millimeter bred mängd bensen - en gigantisk mängd jämfört med tidigare experiment, " sa Malcolm Guthrie från Carnegie Institution for Science, en medförfattare till forskningsartikeln. "Vi upptäckte att långsamt släppande av trycket efter tillräcklig kompression vid normal rumstemperatur gav kolatomerna den tid de behövde för att reagera med varandra och för att länka ihop sig i en högordnad kedja av enkelfiliga koltetraedrar, bildar dessa nanotrådar med diamantkärna."

Baddings team är det första som coaxerar molekyler som innehåller kolatomer för att bilda den starka tetraederformen, länka sedan varje tetraeder ände till ände för att bilda en lång, tunn nanotråd. Han beskriver trådens bredd som fenomenalt liten, bara några få atomer över, hundratusentals gånger mindre än en optisk fiber, enormt tunnare än ett genomsnittligt människohår. "Teori av vår medförfattare Vin Crespi tyder på att detta potentiellt är det starkaste, styvare material som möjligt, samtidigt som den är lätt i vikt, " han sa.

Molekylen de komprimerade är bensen - en platt ring som innehåller sex kolatomer och sex väteatomer. Den resulterande nanotråden med diamantkärna är omgiven av en halo av väteatomer. Under komprimeringsprocessen, forskarna rapporterar, de platta bensenmolekylerna staplas ihop, böja och bryta isär. Sedan, när forskarna sakta släpper trycket, atomerna återansluter på ett helt annat men väldigt ordnat sätt. Resultatet är en struktur som har kol i den tetraedriska konfigurationen av diamant med väten som hänger ut åt sidan och varje tetraeder bunden med en annan för att bilda en lång, tunn, nanotråd.

"Det är verkligen förvånande att den här typen av organisation händer, " Badding sa. "Att atomerna i bensenmolekylerna länkar ihop sig själva vid rumstemperatur för att göra en tråd är chockerande för kemister och fysiker. Med tanke på tidigare experiment, vi tror att, när bensenmolekylen går sönder under mycket högt tryck, dess atomer vill ta tag i något annat men de kan inte röra sig eftersom trycket tar bort allt utrymme mellan dem. Denna bensen blir sedan mycket reaktiv så att när vi släpper trycket mycket långsamt, en ordnad polymerisationsreaktion inträffar som bildar nanotråden med diamantkärnan."

Forskarna bekräftade strukturen på deras diamantnantrådar med ett antal tekniker vid Penn State, Oak Ridge, Arizona State University och Carnegie Institution for Science, inklusive röntgendiffraktion, neutrondiffraktion, Raman spektroskopi, första principens beräkningar, transmissionselektronmikroskopi och solid-state nuclear magnetic resonance (NMR). Delar av dessa första diamant nanotrådar verkar vara något mindre än perfekta, så att förbättra deras struktur är ett fortsatt mål för Baddings forskningsprogram. Han vill också upptäcka hur man kan göra fler av dem. "De höga trycken som vi använde för att tillverka det första diamantnanotrådsmaterialet begränsar vår produktionskapacitet till endast ett par kubikmillimeter åt gången, så vi gör ännu inte tillräckligt med det för att vara användbart i industriell skala, " sa Badding. "Ett av våra vetenskapsmål är att ta bort den begränsningen genom att ta reda på den kemi som krävs för att göra dessa diamantnantrådar under mer praktiska förhållanden."

Nanotråden kan också vara den första medlemmen i en ny klass av diamantliknande nanomaterial baserade på en stark tetraedrisk kärna. "Vår upptäckt att vi kan använda den naturliga inriktningen av bensenmolekylerna för att styra bildandet av detta nya diamant-nanotrådmaterial är verkligen intressant eftersom det öppnar möjligheten att göra många andra typer av molekyler baserade på kol och väte, " Badding sa. "Du kan fästa alla typer av andra atomer runt en kärna av kol och väte. Drömmen är att kunna lägga till andra atomer som skulle inkorporeras i den resulterande nanotråden. Genom att trycksätta vilken vätska vi än designar, vi kanske kan göra ett enormt antal olika material."

Potentiella applikationer som mest intresserar Badding är de som skulle förbättras avsevärt genom att ha oerhört starka, styva och lätta material - särskilt de som kan hjälpa till att skydda atmosfären, inklusive tändare, mer bränslesnåla och därför mindre förorenande fordon. "En av våra vildaste drömmar för de nanomaterial vi utvecklar är att de skulle kunna användas för att göra de superstarka, lättviktskablar som skulle göra det möjligt att bygga en "rymdhiss", som hittills bara har funnits som en science fiction-idé, sa Badding.