像金剛石一樣堅硬，像塑料一樣柔韌，備受追捧的金剛石納米線將徹底改變我們的世界（如果它們不那么難制造的話）。最近，一個科學家團隊開發了一種原創技術，可以預測和指導有序創建堅固而靈活的金剛石納米線，克服了幾個現有的挑戰。這項創新將使科學家們更容易合成納米線——這是未來將該材料應用于實際問題的重要一步。

       最近，由 Carnegie Science 的 Samuel Dunning 和 Timothy Strobel 領導的一個科學家團隊開發了一種原創技術，可以預測和指導有序創建堅固而靈活的金剛石納米線，克服了幾個現有的挑戰。這項創新將使科學家們更容易合成納米線——這是未來將該材料應用于實際問題的重要一步。這項工作最近發表在 American Chemical Society 上。

       金剛石納米線是超薄的一維碳鏈，比人類的頭發還要細幾萬倍。它們通常是通過將較小的碳基環壓縮在一起形成相同類型的鍵，從而使鉆石成為地球上最堅硬的礦物。

       然而，與普通鉆石中發現的 3D 碳晶格不同，金剛石納米線的邊緣被碳氫鍵“覆蓋”，這使得整個結構變得靈活。

       Dunning 解釋說：“因為納米線只有一個方向的鍵，它們可以以普通鉆石無法彎曲的方式彎曲。”

       科學家預測，碳納米線的獨特性能將有一系列有用的應用，從在太空電梯上提供類似于科幻的腳手架，到制造超強織物。然而，科學家們很難創造出足夠的納米線材料來實際測試他們提出的超能力。

      “如果我們想為特定應用設計材料，” Dunning 說，“我們必須準確了解我們正在制造的納米線的結構和結合。這種線程指導方法真的讓我們能夠做到這一點！”

最大的挑戰之一是讓碳原子以可預測的方式反應。在由苯和其他六原子環制成的納米線中，每個碳原子可以與不同的相鄰碳原子發生化學反應。這導致了許多可能的相互競爭的反應和許多不同的納米線配置。這種不確定性是科學家在合成可以確定精確化學結構的納米線時面臨的最大障礙之一。

       Dunning 的團隊確定，在環上添加氮取代碳可能有助于引導反應沿著可預測的路徑進行。他們選擇從吡嗪開始研究，這是一個由4個碳和2個氮組成的6原子環，然后開始研究計算機模型。鄧寧與多諾斯蒂亞國際物理中心的陳博，以及羅格斯大學和卡內基校友大學的助理教授李竺合作，模擬了噠嗪分子在高壓下的行為。

      “在我們的系統中，我們使用兩個氮原子從環系統中去除兩個可能的反應位點。這極大地減少了可能的反應的數量，” Dunning 說。

       在運行了幾次計算機模擬顯示在高壓下成功形成納米線后，他們準備把這個實驗帶到實驗室。

       該團隊取一滴噠嗪并將其裝入金剛石砧室——該裝置允許科學家通過在更傳統的金剛石的微小尖端之間壓縮樣品來產生極端壓力。使用紅外光譜和 X 射線衍射，他們在正常大氣壓30萬倍的情況下監測了噠嗪化學結構的變化，以尋找新的化學鍵的生成。

       噠嗪的起始樣品——一個由四個碳和兩個氮組成的六原子環——隨著金剛石納米線形成的進展在壓力下發生變化。第一張和最后一張圖像顯示，螺紋形成后樣品之間的顏色發生了永久性變化。這些圖像沒有顯示單個線程，而是顯示壓縮過程中的“大塊”噠嗪樣品，每個樣品厚約 40 微米，直徑為 180 微米。

 圖片來源：Samuel Dunning

       當他們看到化學鍵的形成時，他們意識到他們已經成功預測并在實驗室中創造了第一個噠嗪金剛石納米線。

       “我們的反應途徑產生了一種令人難以置信的有序納米線，” Dunning 說。“將其他原子納入納米線骨架、指導反應和了解納米線的化學環境的能力，將為研究人員開發納米線技術節省寶貴的時間。”

       使用這些非碳原子來引導納米線形成的過程，Dunning 稱之為“線引導（thread directing）”，是未來科學家可以預見地創造這些材料并將其用于高級應用的重要一步。既然這種合成策略已經被發現， Dunning 計劃識別和測試許多可能的納米線前體。他也迫不及待地開始測試噠嗪納米線。

       Dunning 總結道：“既然我們知道我們可以制造這種材料，我們就需要開始制造足夠的材料來學習足夠的知識，以確定其機械、光學和電子性能!”

論文信息：

Samuel G. Dunning, Li Zhu, Bo Chen, Stella Chariton, Vitali B. Prakapenka, Maddury Somayazulu, Timothy A. Strobel. Solid-State Pathway Control via Reaction-Directing Heteroatoms: Ordered Pyridazine Nanothreads through Selective Cycloaddition. Journal of the American Chemical Society, 2022; 144 (5): 2073 DOI: 10.1021/jacs.1c12143

來源：carnegiescience.edu