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La nuova forma di carbonio è più forte del grafene e del diamante
Il sesto elemento, il carbonio, ci ha regalato un'incredibile abbondanza di materiali straordinari. Una volta c'erano semplicemente carbonio, grafite e diamante. Ma negli ultimi anni i chimici hanno aggiunto buckyball, nanotubi e un numero qualsiasi di forme esotiche create dal grafene, l'equivalente molecolare del filo di pollo.
Quindi è difficile credere che il carbonio abbia altre sorprese nella manica. Eppure oggi Mingjie Liu e compagni della Rice University di Houston calcolano le proprietà di un'altra forma di carbonio che è più forte, più rigida e più esotica di qualsiasi cosa i chimici abbiano mai visto prima.
Il nuovo materiale si chiama carbyne. È una catena di atomi di carbonio che sono collegati da doppi legami alternati e singoli o da doppi legami consecutivi.
Carbyne è una specie di mistero. Gli astronomi credono di aver rilevato la sua firma nello spazio interstellare, ma i chimici hanno litigato per decenni sul fatto di aver mai creato questa roba sulla Terra. Un paio di anni fa, tuttavia, hanno sintetizzato catene di carbyne lunghe fino a 44 atomi in soluzione.
Finora si pensava che il carbyne fosse estremamente instabile. Infatti alcuni chimici hanno calcolato che due filamenti di carbyne entrando in contatto avrebbero reagito in modo esplosivo.
Tuttavia, i nanotecnologi sono rimasti affascinati dalle potenzialità di questo materiale perché dovrebbe essere sia forte che rigido e quindi utile. Ma esattamente quanto forte e quanto rigido, nessuno è stato abbastanza sicuro.
È qui che entrano in gioco Liu e co. Questi ragazzi hanno calcolato dai primi principi le proprietà di massa del carbyne e i risultati sono una lettura interessante.
Tanto per cominciare, dicono che il carbyne è circa due volte più rigido dei materiali più rigidi conosciuti oggi. I nanotubi di carbonio e il grafene, ad esempio, hanno una rigidità di 4,5 x 10^8 N.m/kg, ma il carbyne li supera con una rigidità di circa 10^9 N.m/kg.
Altrettanto impressionante è la forza del nuovo materiale. Liu e colleghi calcolano che occorrono circa 10 nanoNewton per rompere un singolo filamento di carbyne. Questa forza si traduce in una forza specifica di 6,0–7,5×10^7 N∙m/kg, ancora una volta con prestazioni significativamente superiori a qualsiasi materiale noto, incluso il grafene (4,7–5,5×10^7 N∙m/kg), i nanotubi di carbonio (4,3–5,0 ×10^7 N∙m/kg) e diamante (2,5–6,5×107 N∙m/kg4), dicono.
Carbyne ha anche altre proprietà interessanti. La sua flessibilità è da qualche parte tra quella di un tipico polimero e il DNA a doppio filamento. E quando attorcigliato, può ruotare liberamente o diventare rigido alla torsione a seconda del gruppo chimico attaccato alla sua estremità.
Forse la cosa più interessante è il calcolo della stabilità del carbyne da parte del team Rice. Sono d'accordo che due catene in contatto possono reagire ma c'è una barriera di attivazione che impedisce che ciò accada prontamente. Questa barriera suggerisce la vitalità del carbyne in fase condensata a temperatura ambiente nell'ordine dei giorni, concludono.
Tutto ciò dovrebbe stuzzicare l'appetito dei nanotecnologi che sperano di progettare nanomacchine sempre più esotiche, come dispositivi nanoelettronici e spintronici. Dati i progressi fatti nella produzione di questa roba, potremmo non aspettare molto prima che qualcuno inizi a sfruttare davvero le straordinarie proprietà meccaniche delle catene di carbyne.
Rif: arxiv.org/abs/1308.2258 : Carbyne Dai Primi Principi: Catena Di Atomi C, Un Nanorod O Un Nanorope?