像金刚石一样坚硬，像塑料一样柔韧，备受追捧的金刚石纳米线如果不是那么难制造的话，将有望彻底改变我们的世界。
最近，卡内基大学的塞缪尔·邓宁（SamuelDunning）和蒂莫西·斯特罗贝尔（TimothyStrobel）领导的一个科学家团队开发了一种独创性的技术，可以预测并指导有序地创建坚固而灵活的金刚石纳米线，克服了现有的几个挑战。这项创新将使科学家更容易合成纳米线，这是未来将这种材料应用于实际问题的重要一步。
金刚石纳米线是超薄的一维碳链，比人的头发薄数万倍。它们通常是通过将较小的碳基环压缩在一起形成相同类型的键，使金刚石成为我们星球上最硬的矿物。
然而，与普通金刚石中的3D碳晶格不同，这些线的边缘用碳氢键“封顶”，这使整个结构具有灵活性。
邓宁解释说：“因为纳米线只有一个方向的键，所以它们可以弯曲，而普通金刚石无法弯曲。”
科学家们预测，碳纳米线的独特性能将有一系列有用的应用，从在太空电梯上提供科幻般的脚手架到制造超强力织物。然而，科学家们很难创造出足够的纳米线材料来实际测试他们提出的超级能力。
邓宁说：“如果我们想为特定的应用设计材料，我们必须准确地理解我们正在制造的纳米线的结构和结合。这种线定向方法真的允许我们做到这一点！”
最大的挑战之一是让碳原子以可预测的方式反应。在由苯和其他六个原子环制成的纳米线中，每个碳原子都可以与不同的邻居发生化学反应。这导致许多可能的反应相互竞争，以及许多不同的纳米线程配置。这种不确定性是科学家在合成可以确定精确化学结构的纳米线时面临的最大障碍之一。
邓宁的团队确定，在环中添加氮来代替碳可能有助于引导反应沿着可预测的路径进行。他们选择以哒嗪（一种由四个碳和两个氮组成的六原子环）为研究对象，并开始研究计算机模型。邓宁与多诺斯蒂亚国际物理中心的陈波和罗格斯大学助理教授、卡内基校友李朱合作，模拟哒嗪分子在高压下的表现。
邓宁说：“在我们的系统中，我们使用两个氮原子从环系统中移除两个可能的反应点。这大大减少了可能的反应数量。”
在进行了几次计算机模拟，显示在高压下成功地形成了纳米线之后，他们准备将实验带到实验室。
研究小组滴下一滴哒嗪，并将其装入金刚石砧槽中。该装置允许科学家通过在更传统的金刚石的微小尖端之间压缩样品来产生极端压力。他们利用红外光谱和X射线衍射技术，监测了哒嗪的化学结构在大约30万倍的正常大气压力下的变化，寻找新键的产生。
当他们看到键的形成时，他们意识到他们已经成功地预测并在实验室中创造了第一个哒嗪金刚石纳米线。
“我们的反应途径产生了一条极其有序的纳米线。”邓宁说：“将其他原子结合到纳米线程主干中、指导反应、了解纳米线程的化学环境的能力将为研究人员开发纳米线程技术节省宝贵的时间。”
使用这些非碳原子来指导纳米线的形成（邓宁称之为“线程指导”）的过程是朝着科学家可以预见地创造这些材料并将其用于高级应用的未来迈出的重要一步。现在，这种合成策略已经被发现，邓宁计划识别和测试许多可能的纳米线程前体。
他也迫不及待地开始对哒嗪纳米线进行测试。
邓宁总结道：“现在我们知道我们可以制造这种材料，我们需要开始制造足够多的材料来学习足够多的知识来确定机械、光学和电子特性！”
联系电话：