Grafyn zsyntetyzowany
Chemikom z University of Colorado Boulder udało się zsyntetyzować grafyn – formę węgla, podobną do grafenu, ale bardziej elastyczną. Materiał teoretycznie znany był już od lat, ale dopiero teraz udało się stworzyć jego materialną postać. Grafyn ma niezwykłe właściwości przewodzące, może więc być to przełomowe odkrycie dla rozwoju elektroniki i związanych z nią takich dyscyplin, jak na przykład medycyna.
Grafyn był przedmiotem zainteresowania naukowców od lat, z tych samych powodów, dla których tak interesowano się grafenem – ultrapłaską formą węgla o jednej warstwie atomów, która ma wyjątkowe właściwości jako przewodnik ciepła i elektryczności. Grafen stosuje się w elektronice czy w medycynie, a za jego wyizolowanie w 2010 roku przyznano nawet Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. A ponieważ grafyn ma te wszystkie właściwości, które ma grafen, a może być nawet bardziej elastyczny – nie ma się co dziwić, że jego stworzenie interesowało badaczy od dawna. Mimo to bardzo niewiele udało się w tym zakresie zrobić – aż dotąd.
Badania, które doprowadziły do stworzenia grafynu opisano w czasopiśmie Nature Synthesis. Od razu po publikacji wzbudziło to ekscytację u badaczy zajmujących się materiałami węglowymi. Pierwszym autorem publikacji jest Yiming Hu, który niedawno uzyskał stopień doktora z chemii na University of Colorado Boulder.
Tworzenie nowych odmian alotropowych węgla było przedmiotem fascynacji nauki od dawna. Zainteresowanie budziła zawsze wszechstronność tego pierwiastka i to, że jego poszczególne odmiany zadziwiają potencjalnymi zastosowaniami. Najbardziej znanymi odmianami alotropowymi węgla są grafit – stosowany w ołówkach i w bateriach – oraz diament, które oba występują w przyrodzie bez interwencji człowieka. Duże wrażenie robić mogą fulereny, czyli takie cząsteczki, które z parzystej liczby atomów węgla tworzą zamkniętą, pustą w środki bryłę geometryczną, przyjmującą czasem olbrzymie (jak na cząsteczki) rozmiary. W 1996 roku za odkrycie fulerenów przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. No i jest też oczywiście grafen, czyli dwuwymiarowe, płaskie heksametryczne struktury węgla.
Pośród opisanych odmian alotropowych węgla jest jeszcze grafyn, strukturalnie bardzo podobny do grafenu. Podobnie jak grafen, grafyn także układa się w dwuwymiarową strukturę, w której atomy węgla łączą się w sześciokąty (heksagony). Różnica polega na tym, że w grafenie atomy węgla łączą się wiązaniami pojedynczymi i podwójnymi, a w grafynie – pojedynczymi i potrójnymi. Do struktur heksagonalnych wiodą też ciągi połączeń węglowych o różnej długości (zobacz rysunek).
Ani fulereny, ani grafen nie doczekał się jeszcze skutecznej metody syntetyzowania na dużą skalę, przez co ich zapowiadane cudowne właściwości nie mogą być niestety dość dobrze wykorzystane. Naukowcy liczą na to, że przyszłość grafynu będzie inna.
Grafyn bardzo długo pozostawał materiałem teoretycznym – opisanym, ale nigdy nie powstałym. Żeby to zmienić, konieczne było nietradycyjne podejście, które typowe jest dla zespołu badawczego Weia Zhanga, profesora chemii z uczelni w Boulder. W laboratorium Zhanga praktykuje się chemię opartą na reakcjach odwracalnych, czyli takich, w które mogą zachodzić w dwóch kierunkach. W takich okolicznościach powstają w laboratorium Zhanga nowe struktury takie jak przypominające DNA syntetyczne polimery.
To właśnie w tym laboratorium pracował Yiming Hu, który zainicjował nową próbę stworzenia grafynu. Jak relacjonuje, stare wyzwanie odnalazło nowe narzędzia, które były w stanie podołać zadaniu wcześniej niemożliwemu. Badacze zastosowali proces zwany metatezą alkinów, czyli reakcję organiczną umożliwiającą cięcie i ponowne układanie wiązań chemicznych alkinów. Tym sposobem dokonali czegoś, co wcześniej nikomu się nie udało i stworzyli materiał o właściwościach równie dobrych zakresie przewodzenia co grafen, ale nie wymagający takiej kontroli.
– Między grafenem a grafynem jest spora różnica, z korzyścią dla tego ostatniego – mówi prof. Zhang. – To może być „cudowny materiał” nowej generacji. Dlatego wszyscy są tak podekscytowani tym, że udało się go stworzyć.
Teraz przed badaczami kolejny ważny krok. Ich celem jest lepsze zrozumienie tego, jak działa nowy materiał a także znalezienie sposobu na jego produkcję na większą skalę. Jest szansa na to, że w przyszłości uda się uprościć i obniżyć koszty jego produkcji, aby rzeczywiście można było wykorzystać jego niezwykłe właściwości w różnorodnych zastosowaniach.
Źródło badań: Hu, Y., Wu, C., Pan, Q. et al. Synthesis of γ-graphyne using dynamic covalent chemistry. Nat. Synth (2022). https://doi.org/10.1038/s44160-022-00068-7
Opracowano na podstawie artykułu Long-hypothesized ‘next generation wonder material’ created for first time opublikowanego na portalu University of Colorado Boulder
