Upptäckten av buckyballs överraskade och gladde kemister på 1980 -talet, nanorör jazzade fysiker på 1990 -talet, och grafen laddade upp materialforskare på 2000 -talet, men en nanoskala kolstruktur - en negativt böjd yta som kallas en schwarzit - har gillat alla. Tills nu.

University of California, Berkeley, kemister har bevisat att tre kolstrukturer som nyligen skapats av forskare i Sydkorea och Japan i själva verket är de efterlängtade schwarziterna, som forskare förutspår kommer att ha unika elektriska och lagringsegenskaper som de som nu upptäcks i buckminsterfullerenes (buckyballs eller fullerenes för kort), nanorör och grafen.

De nya strukturerna byggdes inuti zeoliternas porer, kristallina former av kiseldioxid - sand - vanligare som vattenmjukgörare i tvättmedel och för att katalytiskt spricka petroleum till bensin. Kallas zeolitmallade kol (ZTC), strukturerna undersöktes för möjliga intressanta egenskaper, även om skaparna inte var medvetna om sin identitet som schwarziter, som teoretiska kemister har arbetat med i decennier.

Baserat på detta teoretiska arbete, kemister förutspår att schwarziter kommer att ha unik elektronisk, magnetiska och optiska egenskaper som skulle göra dem användbara som superkondensatorer, batterielektroder och katalysatorer, och med stora inre utrymmen perfekt för gaslagring och separering.

UC Berkeley postdoktor Efrem Braun och hans kollegor identifierade dessa ZTC -material som schwarziter baserat på deras negativa krökning, och utvecklat ett sätt att förutsäga vilka zeoliter som kan användas för att göra schwarziter och vilka som inte kan.

"Vi har nu receptet för hur man gör dessa strukturer, vilket är viktigt eftersom, om vi kan göra dem, vi kan utforska deras beteende, som vi jobbar hårt för att göra nu, sa Berend Smit, adjungerad professor i kemisk och biomolekylär teknik vid UC Berkeley och expert på porösa material som zeoliter och metallorganiska ramverk.

Smit, tidningens motsvarande författare, Braun och deras kollegor i Schweiz, Kina, Tyskland, Italien och Ryssland kommer att rapportera sin upptäckt denna vecka i tidningen Förfaranden från National Academy of Sciences .

Lek med kol

Diamant och grafit är välkända tredimensionella kristallina arrangemang av rent kol, men kolatomer kan också bilda tvådimensionella "kristaller"-sexkantiga arrangemang mönstrade som kycklingtråd. Grafen är ett sådant arrangemang:ett plant ark med kolatomer som inte bara är det starkaste materialet på jorden, men har också en hög elektrisk konduktivitet som gör den till en lovande komponent i elektroniska enheter.

Grafenark kan vaddas upp till fotbollsformade fullerener-sfäriska kolburar som kan lagra molekyler och används idag för att leverera läkemedel och gener till kroppen. Rullning av grafen till en cylinder ger fullerener som kallas nanorör, som utforskas idag som mycket ledande ledningar i elektronik- och lagringskärl för gaser som väte och koldioxid. Alla dessa är submikroskopiska, 10, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår.

Hittills, dock, endast positivt krökta fullerener och grafen, som har noll krökning, har syntetiserats, prestationer belönade med Nobelpris 1996 och 2010, respektive.

På 1880 -talet, Den tyska fysikern Hermann Schwarz undersökte negativt böjda strukturer som liknar tvålbubblor, och när teoretiskt arbete med kolburmolekyler ökade på 1990 -talet, Schwarz namn blev fäst vid de hypotetiska negativt böjda kolskikten.

"Experimentell validering av schwarziter fullbordar således triumviratet av möjliga krökningar till grafen; positivt krökt, platt, och nu negativt krökt, "Tillade Braun.

Minimera mig

Som tvålbubblor på trådramar, schwarziter är topologiskt minimala ytor. När den är gjord inuti en zeolit, en ånga av kolhaltiga molekyler injiceras, låta kolet samlas i ett tvådimensionellt grafenliknande ark som kantar väggarna i porerna i zeoliten. Ytan sträcks tätt för att minimera dess yta, vilket får alla ytor att kurva negativt, som en sadel. Zeoliten löses sedan upp, lämnar bakom schwarziten.

"Dessa negativt böjda kol har varit mycket svåra att syntetisera på egen hand, men det visar sig att du kan odla kolfilmen katalytiskt vid ytan av en zeolit, "Sa Braun." Men de hittills syntetiserade schwarziterna har gjorts genom att välja zeolitmallar genom försök och fel. Vi ger mycket enkla instruktioner du kan följa för att rationellt göra schwarziter och vi visar att, genom att välja rätt zeolit, du kan ställa in schwarziter för att optimera de egenskaper du vill ha. "

Forskare ska kunna packa ovanligt stora mängder elektrisk laddning i schwarziter, vilket skulle göra dem bättre kondensatorer än konventionella som används idag inom elektronik. Deras stora inre volym skulle också möjliggöra lagring av atomer och molekyler, som också utforskas med fullerener och nanorör. Och deras stora yta, motsvarande ytorna på zeoliterna de odlas i, kan göra dem lika mångsidiga som zeoliter för katalysering av reaktioner i petroleum- och naturgasindustrin.

Braun modellerade ZTC -strukturer beräknat med hjälp av de kända strukturerna för zeoliter, och arbetade med topologisk matematiker Senja Barthel vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne i Sion, Schweiz, för att avgöra vilken av de minimala ytorna strukturerna liknade.

Teamet bestämde att av de cirka 200 zeoliter som hittills har skapats, endast 15 kan användas som mall för att göra schwarziter, och bara tre av dem har hittills använts för att producera schwarzite ZTC. Över en miljon zeolitstrukturer har förutsetts, dock, så det kan finnas många fler möjliga schwarzit-kolstrukturer gjorda med zeolit-mallningsmetoden.