Schwarzites: La structure de carbone longtemps recherchée rejoint le graphène, la famille des fullerènes

Anonim

La découverte de balles de bucky a surpris et ravi les chimistes dans les années 1980, les physiciens jazzés dans les années 1990, et le graphène a chargé les scientifiques des matériaux dans les années 2000, mais une structure de carbone à échelle nanométrique appelée schwarzite. Jusqu'à maintenant.

University of California, Berkeley, les chimistes ont prouvé que trois structures de carbone récemment créées par des scientifiques en Corée du Sud et au Japon sont en réalité les schwarzites recherchés, dont les chercheurs prévoient des propriétés électriques et de stockage uniques dans les buckminsterfullerenes ou fullerènes en abrégé), les nanotubes et le graphène.

Les nouvelles structures ont été construites à l'intérieur des pores de zéolithes, des formes cristallines de dioxyde de silicium - du sable - plus communément utilisées comme adoucisseurs d'eau dans les détergents à lessive et pour craquer catalytiquement le pétrole dans l'essence. Appelées carbones à base de zéolithes (ZTC), les structures ont été étudiées pour d’éventuelles propriétés intéressantes, bien que les créateurs n’aient pas conscience de leur identité de schwarzites, sur laquelle les chimistes théoriciens ont travaillé pendant des décennies.

Sur la base de ces travaux théoriques, les chimistes prédisent que les schwarzites auront des propriétés électroniques, magnétiques et optiques uniques qui les rendront utiles comme supercondensateurs, électrodes de batteries et catalyseurs, et avec de grands espaces internes idéaux pour le stockage et la séparation des gaz.

Efrem Braun, son collègue postdoctoral à UC Berkeley, et ses collègues ont identifié ces matériaux ZTC comme des schwarzites en se basant sur leur courbure négative, et ont développé un moyen de prédire quelles zéolithes peuvent être utilisées pour fabriquer des schwarzites et celles qui ne le peuvent pas.

"Nous avons maintenant la recette pour fabriquer ces structures, ce qui est important car, si nous pouvons les fabriquer, nous pouvons explorer leur comportement, ce que nous travaillons dur à faire maintenant", a déclaré Berend Smit, professeur adjoint en chimie et en chimie. l'ingénierie biomoléculaire à UC Berkeley et un expert sur les matériaux poreux tels que les zéolites et les cadres métallo-organiques.

Smit, l'auteur correspondant du journal, Braun et leurs collègues en Suisse, en Chine, en Allemagne, en Italie et en Russie rendront compte de leur découverte cette semaine dans le journal Proceedings of the National Academy of Sciences.

Jouer avec du carbone

Le diamant et le graphite sont des arrangements cristallins tridimensionnels bien connus de carbone pur, mais les atomes de carbone peuvent aussi former des "cristaux" bidimensionnels - des arrangements hexagonaux modelés comme du fil de poulet. Le graphène en est un exemple: une feuille plate d'atomes de carbone qui est non seulement le matériau le plus résistant sur Terre, mais qui présente également une conductivité électrique élevée, ce qui en fait un composant prometteur des appareils électroniques.

Les feuilles de graphène peuvent être utilisées pour former des fullerènes en forme de ballons de football, des cages en carbone sphériques capables de stocker des molécules et utilisées aujourd'hui pour administrer des médicaments et des gènes dans le corps. Le laminage du graphène dans un cylindre produit des fullerènes appelés nanotubes, que nous explorons aujourd'hui sous forme de fils hautement conducteurs dans l'électronique et les réservoirs de stockage de gaz tels que l'hydrogène et le dioxyde de carbone. Tous ces éléments sont microscopiques, 10 000 fois plus petits que la largeur d’un cheveu humain.

À ce jour, toutefois, seuls les fullerènes à courbe positive et le graphène, qui ont une courbure nulle, ont été synthétisés, des exploits récompensés par des prix Nobel en 1996 et 2010, respectivement.

Dans les années 1880, le physicien allemand Hermann Schwarz a étudié les structures à courbure négative qui ressemblent à des surfaces de bulles de savon et, lorsque les travaux théoriques sur les molécules de cage carbone ont augmenté dans les années 1990, le nom de Schwarz

"La validation expérimentale des schwarzites complète ainsi le triumvirat des courbes possibles du graphène; positivement incurvées, plates et maintenant négativement courbées", a ajouté Braun.

Me minimiser

Comme les bulles de savon sur les armatures de fil, les schwarzites sont des surfaces topologiquement minimales. Lorsqu'elles sont fabriquées à l'intérieur d'une zéolite, une vapeur de molécules contenant du carbone est injectée, permettant au carbone de s'assembler en une feuille bidimensionnelle de type graphène recouvrant les parois des pores de la zéolite. La surface est tendue pour minimiser sa surface, ce qui fait que toutes les surfaces se courbent négativement, comme une selle. La zéolite est ensuite dissoute, laissant derrière elle la schwarzite.

"Ces carbones à courbe négative ont été très difficiles à synthétiser par eux-mêmes, mais il s'avère que vous pouvez faire pousser le film de carbone catalytiquement à la surface d'une zéolite", a déclaré Braun. "Mais les schwarzites synthétisés à ce jour ont été réalisés en choisissant des modèles de zéolites par essais et erreurs. Nous fournissons des instructions très simples que vous pouvez suivre pour fabriquer des schwarzites rationnellement et que vous pouvez choisir les schwarzites pour optimiser les propriétés. tu veux."

Les chercheurs devraient être en mesure d'emballer des quantités inhabituellement élevées de charges électriques dans les schwarzites, ce qui en ferait de meilleurs condensateurs que ceux utilisés actuellement en électronique. Leur grand volume intérieur permettrait également le stockage des atomes et des molécules, également explorés avec les fullerènes et les nanotubes. Et leur grande surface, équivalente à la surface des zéolithes dans lesquelles ils sont cultivés, pourrait les rendre aussi polyvalentes que les zéolithes pour catalyser les réactions dans les industries du pétrole et du gaz naturel.

Braun a modélisé les structures ZTC en utilisant les structures connues des zéolithes et a travaillé avec le mathématicien topologique Senja Barthel de l'École polytechnique fédérale de Lausanne à Sion, en Suisse, pour déterminer laquelle des surfaces les plus minimes ressemblait.

L’équipe a déterminé que sur les quelque 200 zéolithes créées à ce jour, seules 15 peuvent être utilisées comme modèles pour créer des schwarzites, et que trois seulement ont été utilisées à ce jour pour produire des ZTC schwarzites. Plus d'un million de structures de zéolite ont été prédites, cependant, il pourrait y avoir beaucoup plus de structures de carbone de schwarzite possibles fabriquées en utilisant le procédé de modélisation par zéolite.

menu
menu