Карбін - нова форма вуглецю, що перевершує по міцності графен і вуглецеві нанотрубки
Відносно нова форма вуглецю, звана карбін, може стати тим матеріалом, який у недалекому майбутньому відніме у графену і вуглецевих нанотрубок пальму першості найміцніших у світі матеріалів. Крім міцності перевершує міцність графену і нанотрубок майже в два рази, карбін має ще цілою низкою екзотичних і цікавих властивостей, які відкривають широкі перспективи використання цього матеріалу в наноелектроніці, в спінтроніці, в технології зберігання водню та електричної енергії з небувалою до цього щільністю зберігання.
Карбін, відомий ще як аллотропная форма вуглецю, являє собою ланцюг атомів вуглецю, з'єднаних послідовними подвійними зв'язками або чергуванням потрійний і одиночної зв'язку. До останнього часу про карбине було відомо, крім факту його існування, вельми небагато. Астрономи виявили карбін в матеріалі деяких метеоритів, астероїдів і в хмарах міжзоряного пилу. А в лабораторіях вдалося синтезувати ланцюжка карбина, довжиною максимум 44 атома.
Природно, що при такому положенні справ науці відомо дуже мало про карбине і про його властивості. Але і того, що відомо, досить для того, щоб викликати підвищений інтерес вчених до цього матеріалу. Мингджи Луї (Mingjie Liu), разом з колегами з університету Райс, намагаючись заповнити прогалини знань про карбине, вдалися до допомоги математичних методів, заснованих на досить відомих людям властивості атомів вуглецю. Першим ділом вчені розрахували, що міцність карбина становить 6.0-7.5?10^7 Н?м/кг, що майже в два рази перевершує міцність графену (4.7-5.5 ?10^7 Н?м/кг). Крім цього вчені з'ясували, що молекули карбина практично не розтягуються, залишаючись при цьому дивно гнучкими, і мають досить високу хімічну стійкість.
Вигин ланцюжка карбина призводить до виникнення додаткового напруження між атомами вуглецю, що зміщує електричну заборонену зону цього матеріалу, надаючи йому яскраво виражені напівпровідникові властивості. Така особливість може використовуватися в різних мікроелектромеханічних системах в якості своєрідного датчика регулятора положення. Додаючи молекули різних речовин, наприклад, метилену (CH2), до кінців молекули карбина, можна викликати штучне викривлення молекули і навіть сформувати її у вигляді спіралі, подібної спіралі молекули ДНК. Крім цього, "прикраса" кінців молекули карбина молекулами різних сполук і речовин дозволяє надати матеріалу інші додаткові властивості, часом досить екзотичні. Приміром, додавання атомів кальцію перетворює ланцюжок атомів вуглецю в матеріал, інтенсивно зв'язує водень, який можна використовувати для виготовлення пристроїв зберігання цього екологічно чистого палива майбутнього.
Також важливо відзначити, що подібно графену, карбін має товщину всього в один атом. Це означає, що у розрахунку на одиницю маси матеріалу він володіє воістину величезною площею поверхні. Природно, що така властивість карбина робить його вкрай привабливим для пристроїв зберігання електричної енергії, для акумуляторних батарей і суперконденсаторів, в яких головну роль відіграє ефективна площа поверхні електродів.
На жаль, вкрай обмежені можливості синтезу карбина, незважаючи на широке коло його цікавих властивостей, обмежують інтерес до цього матеріалу з боку дослідних організацій. Але деякі все ж організації вже ведуть пошуки способів отримання карбина у великих кількостях. І коли такі засоби будуть знайдені, цей матеріал може стати об'єктом ще більш масштабних досліджень, ніж графен і вуглецеві нанотрубки.