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K\u00fcrzlich hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Samuel Dunning und Timothy Strobel von Carnegie eine originelle Technik entwickelt, die die geordnete Herstellung von starken und dennoch flexiblen Diamant-Nanof\u00e4den vorhersagt und steuert und dabei mehrere bestehende Herausforderungen \u00fcberwindet. Die Innovation wird es den Wissenschaftlern erleichtern, die Nanof\u00e4den zu synthetisieren – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Anwendung des Materials f\u00fcr praktische Probleme in der Zukunft. Die Arbeit wurde k\u00fcrzlich im Journal of the American Chemical Societyver\u00f6ffentlicht .<\/p>\n\n\n\n
Diamant-Nanof\u00e4den sind ultrad\u00fcnne, eindimensionale Kohlenstoffketten, zehntausendmal d\u00fcnner als ein menschliches Haar. Sie entstehen oft durch das Zusammenpressen kleinerer Kohlenstoffringe und bilden so die gleiche Art von Bindungen, die Diamanten zu den h\u00e4rtesten Mineralien auf unserem Planeten machen.<\/p>\n\n\n\n
Anstelle des 3D-Kohlenstoffgitters, das in einem normalen Diamanten zu finden ist, sind die Kanten dieser F\u00e4den jedoch mit Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen “bedeckt”, die die gesamte Struktur flexibel machen.<\/p>\n\n\n\n
Dunning erkl\u00e4rt: “Da die Nanof\u00e4den diese Bindungen nur in einer Richtung haben, k\u00f6nnen sie sich auf eine Art und Weise verbiegen, wie es bei normalen Diamanten nicht m\u00f6glich ist.”<\/p>\n\n\n\n
Die Wissenschaftler sagen voraus, dass die einzigartigen Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanof\u00e4den eine Reihe von n\u00fctzlichen Anwendungen haben werden, von der Bereitstellung eines Sci-Fi-m\u00e4\u00dfigen Ger\u00fcsts f\u00fcr Weltraumfahrst\u00fchle bis hin zur Herstellung ultrastarker Gewebe. Allerdings hatten die Wissenschaftler bisher Schwierigkeiten, gen\u00fcgend Nanofadenmaterial herzustellen, um ihre vorgeschlagenen Superkr\u00e4fte tats\u00e4chlich zu testen.<\/p>\n\n\n\n
“Wenn wir Materialien f\u00fcr bestimmte Anwendungen entwickeln wollen”, sagt Dunning, “m\u00fcssen wir die Struktur und Bindung der Nanof\u00e4den, die wir herstellen, genau verstehen. Mit dieser Methode der Fadenf\u00fchrung k\u00f6nnen wir das wirklich tun!”<\/p>\n\n\n\n
Eine der gr\u00f6\u00dften Herausforderungen besteht darin, die Kohlenstoffatome dazu zu bringen, auf vorhersehbare Weise zu reagieren. In Nanof\u00e4den aus Benzol und anderen sechsatomigen Ringen kann jedes Kohlenstoffatom chemische Reaktionen mit verschiedenen Nachbarn eingehen. Dies f\u00fchrt zu vielen m\u00f6glichen Reaktionen, die miteinander konkurrieren, und zu vielen verschiedenen Konfigurationen der Nanof\u00e4den. Diese Ungewissheit ist eine der gr\u00f6\u00dften H\u00fcrden f\u00fcr Wissenschaftler bei der Synthese von Nanof\u00e4den, bei denen die genaue chemische Struktur bestimmt werden kann.<\/p>\n\n\n\n
Dunnings Team entschied, dass das Hinzuf\u00fcgen von Stickstoff zum Ring anstelle von Kohlenstoff dazu beitragen k\u00f6nnte, die Reaktion auf einen vorhersehbaren Weg zu f\u00fchren. Sie begannen ihre Arbeit mit Pyridazin – einem sechsatomigen Ring, der aus vier Kohlenstoffen und zwei Stickstoffen besteht – und arbeiteten an einem Computermodell. Dunning arbeitete mit Bo Chen, Donostia International Physics Center, und Li Zhu, Assistenzprofessor an der Rutgers University und Carnegie Alum, zusammen, um zu simulieren, wie sich Pyridazinmolek\u00fcle bei hohem Druck verhalten.<\/p>\n\n\n\n
“In unserem System verwenden wir zwei Stickstoffatome, um zwei m\u00f6gliche Reaktionsstellen aus dem Ringsystem zu entfernen. Dadurch wird die Anzahl der m\u00f6glichen Reaktionen drastisch reduziert”, sagt Dunning.<\/p>\n\n\n\n
Nachdem sie mehrere Computersimulationen durchgef\u00fchrt hatten, die eine erfolgreiche Bildung von Nanof\u00e4den bei hohem Druck zeigten, waren sie bereit, das Experiment ins Labor zu bringen.<\/p>\n\n\n\n
Das Team nahm einen Tropfen Pyridazin und f\u00fcllte ihn in eine Diamant-Ambosszelle – ein Ger\u00e4t, mit dem Wissenschaftler extreme Dr\u00fccke erzeugen k\u00f6nnen, indem sie Proben zwischen den winzigen Spitzen herk\u00f6mmlicher Diamanten zusammenpressen. Mithilfe von Infrarotspektroskopie und R\u00f6ntgenbeugung \u00fcberwachten sie die Ver\u00e4nderungen in der chemischen Struktur des Pyridazins bis zum 300.000-fachen des normalen Atmosph\u00e4rendrucks und suchten nach der Entstehung neuer Bindungen.<\/p>\n\n\n\n
Als sie sahen, dass sich die Bindungen bildeten, erkannten sie, dass sie den ersten Pyridazin-Diamant-Nanofaden erfolgreich vorhergesagt und im Labor hergestellt hatten.<\/p>\n\n\n\n
“Unser Reaktionsweg erzeugt einen unglaublich geordneten Nanofaden”, so Dunning. “Die F\u00e4higkeit, andere Atome in das Nanofaden-R\u00fcckgrat einzubauen, die Reaktion zu steuern und die chemische Umgebung des Nanofadens zu verstehen, wird den Forschern bei der Entwicklung der Nanofadentechnologie unsch\u00e4tzbare Zeit sparen.”<\/p>\n\n\n\n
Dieser Prozess der Verwendung dieser Nicht-Kohlenstoff-Atome zur Steuerung der Bildung von Nanof\u00e4den, den Dunning als “Fadenlenkung” bezeichnet, ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer Zukunft, in der Wissenschaftler diese Materialien vorhersehbar herstellen und f\u00fcr fortschrittliche Anwendungen nutzen k\u00f6nnen. Nach der Entdeckung dieser synthetischen Strategie plant Dunning nun, die vielen m\u00f6glichen Vorstufen f\u00fcr Nanof\u00e4den zu identifizieren und zu testen.<\/p>\n\n\n\n
Er kann es auch kaum erwarten, die Pyridazin-Nanof\u00e4den auf Herz und Nieren zu pr\u00fcfen.<\/p>\n\n\n\n
Dunning schlussfolgert: “Jetzt, da wir wissen, dass wir dieses Material herstellen k\u00f6nnen, m\u00fcssen wir damit beginnen, genug davon herzustellen, um genug zu lernen, um die mechanischen, optischen und elektronischen Eigenschaften zu bestimmen!”<\/p>\n\n\n\n