Karbyn je extrémně silný, jednorozměrný uhlíkový materiál, který by mohl hrát důležitou roli v budoucích elektronických technologiích. Protože je však vysoce nestabilní a snadno se rozpadá, byla jeho výroba dostatečného množství pro výzkum velkou výzvou. Mezinárodní tým vědců, včetně výzkumníků z Pensylvánské státní univerzity, nyní možná našel způsob, jak tento problém překonat.
Obrázek ukazuje, jak se speciální molekuly rozpadají při zahřátí uvnitř malé uhlíkové trubice a tvoří dokonale rovný řetězec atomů uhlíku známý jako karbyn
© Elizabeth Floresgomez Murray, Jennifer M. McCann
Materiál karbyn byl teoreticky předpověděn, ale po mnoho let byly pokusy o jeho syntézu neúspěšné, protože řetězce se buď ohýbaly, nebo vytvářely nechtěné vazby. A vyhráno nebylo ani po jeho vytvoření. Přirozená nestabilita tohoto materiálu ztěžuje jeho studium a ještě těžší je uvažovat o praktickém využití. Přesto, stejně jako grafen — uhlíkový materiál o tloušťce jednoho atomu, který se již používá v některých elektronických zařízeních — karbyn přitahuje zájem díky své pevnosti a elektronickým vlastnostem. Oproti grafenu pak nabízí i klíčovou výhodu:
„Stejně jako grafen, i karbyn umožňuje elektronům velmi rychlý pohyb. Karbyn má však také něco, čemu se říká ‚polovodičová mezera‘, díky čemuž je užitečný pro výrobu tranzistorů, drobných spínačů, které napájejí elektroniku. Grafen tuto mezeru nemá, takže jej použít stejným způsobem nelze,“ řekl V. Rotkin z Pensylvánské státní univerzity, který vedl mezinárodní tým hledající cesty k výrobě karbynu.
Polovodičová mezera umožňuje materiálu fungovat jako spínač elektrického proudu. Čistý grafen tuto mezeru postrádá, takže elektrony mohou procházet bez omezení, což je dobré pro aplikace vyžadující vodiče, nikoliv polovodiče. V případě potřeby jeho použití např. v konstrukci tranzistorů je tedy grafen nevyužitelný. Na rozdíl od karbynu. Tedy abychom byli přesní: grafen lze upravit tak, aby mezeru vytvořil, karbyn jí však disponuje přirozeně. A dosavadní poznatky navíc naznačují, že elektronika vyrobená z karbynu by mohla fungovat rychleji a efektivněji než elektronika založená na křemíku, a pravděpodobně s menším počtem technických úprav.
Protože však jde o materiál vysoce nestabilní, který se snadno rozpadá, byla jeho výroba skutečnou výzvou, kterou výzkumný tým patrně vyřešil tím, že zapouzdřil karbyn do jednostěnných uhlíkových nanotrubic — drobných trubicovitých struktur vyrobených výhradně z uhlíku a mnohem tenčích než lidský vlas. Zjistili, že tento postup při nízkých teplotách zlepšuje stabilitu karbynu a usnadňuje jeho výrobu. To by mohlo vést k dalšímu pokroku v materiálové vědě a technologii.
Nová metoda výroby karbynu, kterou vědci navrhli, by mohla pomoci vyřešit i další zásadní problém: jeho výrobu v použitelném množství. Doposud bylo možné vyrobit pouze velmi malá množství karbynu, často za extrémních podmínek, jako jsou vysoké teploty, intenzivní tlak nebo reaktivní chemická prostředí. To omezovalo schopnost vědců tento materiál plně studovat.
Tým zdůrazňuje, že jejich přístup je jednodušší a efektivnější než dřívější metody. Nejprve použili cholát amonný, mírný výchozí materiál, k pěstování karbynu při mnohem nižších teplotách. Následně uzavřeli karbyn do jednostěnných uhlíkových nanotrubic, které poskytovaly lepší ochranu než silnější, vícevrstvé nanotrubice používané v minulosti.
Nanotrubice nejen chrání karbyn před rozpadem, ale také udržují jeho strukturu téměř neporušenou, což umožňuje vědcům jeho vlastnosti studovat i přesněji.
Vědci také učinili nečekaný objev: zjistili, že cholát — běžnou sloučeninu odvozenou od žlučové kyseliny a používanou k rozpouštění organických látek — lze přeměnit na karbynové řetězce bez nutnosti dalších kroků zpracování.
„Bylo naprostým překvapením, že se běžné rozpouštědlo, jako je cholát, dokáže bez dalších problémů přeměnit na karbynový řetězec. Ukázalo se, jak i známé materiály mohou v pokročilé chemii převzít nové role,“ řekl Rotkin.
/HK, -mim/