Elementärt kol förekommer i många former, inklusive diamant, fullerener och grafen, som har en unik struktur, elektronisk, mekanisk, transport- och optiska egenskaper som erbjuder ett brett spektrum av tillämpningar inom fysik, kemi och materialvetenskap. Dessa inkluderar kompositmaterial, nanoskala ljusemitterande anordningar och energiupptagningsmaterial.

Inom "kolfamiljen, "bara carbyne, en verkligt endimensionell form av kol, har ännu inte syntetiserats trots att de har studerats i mer än 50 år. Dess extrema instabilitet i omgivande förhållanden gjorde det slutliga experimentella beviset på dess existens svårt att uppnå. Ett internationellt samarbete mellan forskare har utvecklat en ny väg för bulkproduktion av kolkedjor som består av mer än 6, 400 kolatomer genom att använda tunna, dubbelväggiga kolnanorör som skyddande värdar för kedjorna.

Dessa resultat publiceras i tidskriften Naturmaterial och representerar en elegant föregångare mot det slutliga målet för carbynes bulkproduktion. Förutom de potentiella tillämpningarna, dessa fynd öppnar möjligheten att besvara grundläggande frågor om elektronkorrelationer, elektron-fonon-interaktioner och kvantfasövergångar i endimensionella material.

Även i sin elementära form, kolbindningens mångsidighet ger många välkända material, inklusive diamant och grafit. Ett enda lager grafit, kallad grafen, kan rullas eller vikas till kolnanorör eller fullerener, respektive. Hittills, Nobelpriser har delats ut för grundläggande arbete med både grafen (2010) och fullerener (1996). Även om förekomsten av linjärt acetyleniskt kol, en oändligt lång kolkedja även kallad carbyne, föreslogs 1885 av Adolf von Baeyer, som fick ett Nobelpris för sina totala bidrag till organisk kemi 1905, forskare har ännu inte kunnat syntetisera detta material. Von Baeyer föreslog till och med att carbyne skulle förbli svårfångad, eftersom dess höga reaktivitet alltid skulle leda till dess omedelbara förstörelse. Ändå, kolkedjor av ökande längd har framgångsrikt syntetiserats under de senaste 50 åren.

Än så länge, rekordhållaren är en kedja gjord av cirka 100 kolatomer (2003). Detta rekord har nu slagits med en faktor som är större än 50 med den första demonstrationen av mikrometerkedjor, redovisas i Naturmaterial i dag. Forskare från universitetet i Wien under ledning av Thomas Pichler har utvecklat ett nytt och enkelt tillvägagångssätt för att stabilisera kolkedjor med en rekordlängd på mer än 6, 400 kolatomer.

De använder det begränsade utrymmet inuti ett dubbelväggigt kolnanorör som en nanoreaktor för att odla ultralånga kolkedjor i stor skala. Förekomsten av kedjorna har otvetydigt bekräftats genom att använda en mängd sofistikerade, kompletterande metoder. Dessa inkluderar användning av temperaturberoende, nära och fjärran Raman-spektroskopi med olika lasrar (för undersökning av elektroniska och vibrationsegenskaper), högupplöst överföringselektronspektroskopi (för direkt observation av karbyn inuti kolnanorören) och röntgenspridning (för bekräftelse av bulkkedjetillväxt). "Det direkta experimentella beviset på begränsade ultralånga linjära kolkedjor, som är två storleksordningar längre än de längsta beprövade kedjorna hittills, är ett lovande steg mot det slutliga målet att avveckla den heliga gralen av verkligt 1D -kolallotroper, carbyne, "förklarar Lei Shi, tidningens första författare.

Carbyne är mycket stabil inuti dubbelväggiga kolnanorör. Den här egenskapen är avgörande för dess eventuella tillämpning i framtida material och enheter. Enligt teoretiska modeller, carbynes mekaniska egenskaper överstiger alla kända material, överträffar både grafen och diamant (t.ex. den är 40 gånger styvare än diamant, dubbelt så stel som grafen och har en högre draghållfasthet än alla andra kolmaterial).

Carbynes elektriska egenskaper beror på längden på den endimensionella kedjan, föreslår således nya nanoelektroniska tillämpningar inom kvantspinntransport och magnetiska halvledare, förutom dess allmänna dragningskraft inom fysik och kemi. "Detta arbete gav ett exempel på ett mycket effektivt och fruktbart samarbete mellan experiment och teori för att avveckla och kontrollera de elektroniska och mekaniska egenskaperna hos lågdimensionella, kolbaserade material. Det ledde till syntes och karakterisering av den längsta linjära kolkedjan någonsin. Dessa fynd ger den grundläggande testbädden för experimentella studier om elektronkorrelation och kvantdynamiska fasövergångar i begränsade geometrier som inte var möjliga tidigare. Vidare, de mekaniska och elektroniska egenskaperna hos carbyne är exceptionella och föreslår en mängd nya möjligheter för design av nanoelektroniska såväl som optomekaniska enheter, "avslutar Angel Rubio.