Doğrusal asetilenik karbon - Linear acetylenic carbon

Bu makale, tekrarlayan alkin birimleri zincirleri hakkındadır. "Carbyne" diğer kullanımları için bkz Carbyne (anlam ayrım) .

Doğrusal asetilenik karbon ( LAK olarak da bilinir), karbin veya lineer karbon zinciri (LCC) , bir bir karbon Allotrop kimyasal yapıya sahiptir (-C = C-)
nalternatif tekli ve üçlü bağlarla tekrar eden bir zincir olarak. Böylece polyyne ailesinin nihai üyesi olacaktır .

Bir karbon yumru ve Fe elektrot arasındaki doğrusal bir karbon zincirinin (carbyne) elektron mikrografı

Bu polimerik Karbin için oldukça ilginç bir nanoteknoloji onun kadar Young modülü olan32.7  TPa – elmasın kırk katı ; Ancak bu olağanüstü sayı, yapının kapladığı alana karşılık gelmeyen yeni bir kesit alanı tanımına dayanmaktadır. Carbyne ayrıca yıldızlararası uzayda da tespit edilmiştir; bununla birlikte, bu tür zincirler birbirlerine yaklaştıklarında ekzotermik (ve belki de patlayıcı olarak) çapraz bağlanacağından, yoğun fazlardaki varlığına son zamanlarda itiraz edilmiştir.

Tarih ve tartışma

Bu allotropun saptanmasıyla ilgili ilk iddialar 1960'da yapılmış ve 1978'de tekrarlanmıştır. Daha önceki birkaç rapordan alınan numunelerin 1982'de yeniden incelenmesi, başlangıçta carbyne'a atfedilen sinyallerin aslında numunelerdeki silikat safsızlıklarından kaynaklandığını belirledi. Carbyne kristalinin olmaması, saf bir carbyne ile birleştirilmiş katının doğrudan gözlemini hala büyük bir zorluk haline getirdi, çünkü iyi tanımlanmış yapılara ve yeterli boyutlara sahip carbyne kristalleri bugüne kadar mevcut değil. Bu gerçekten de carbyne'nin gerçek bir karbon allotropu olarak genel kabulünün önündeki en büyük engeldir. Gizemli carbyne, olası olağanüstü özellikleriyle bilim adamlarını hala cezbetti.

1984'te Exxon'daki bir grup, karbon buharlaştırma deneylerinde 30 ile 180 arasında çift sayıda karbon içeren kümelerin saptandığını bildirdi ve bunları poliyne karbona bağladı. Ancak bu kümeler daha sonra fullerenler olarak tanımlandı .

1991 yılında, iddiaya göre, şekillendirilmiş patlayıcı yükler tarafından üretilen şok dalgaları tarafından buharlaştırılan ve söndürülen amorf karbon karası numunelerinde, karbonun diğer çeşitli allotropları arasında carbyne tespit edildi .

1995 yılında, 300'den fazla karbon içeren karbin zincirlerinin hazırlandığı bildirildi. Zincirdeki terminal alkinler hidrojen atomları yerine inert gruplarla ( tert -butil veya triflorometil gibi ) kapatıldığı sürece, nem ve oksijene karşı bile makul ölçüde kararlı oldukları iddia edildi . Çalışma, verilerin özellikle fulleren benzeri yapılar yerine carbyne benzeri yapılar gösterdiğini iddia etti. Bununla birlikte, H. Kroto'ya göre , bu çalışmalarda kullanılan özellikler ve sentetik yöntemler, fulleren üretimi ile tutarlıdır .

Başka bir 1995 raporu, bir karbonlaştırılmış malzeme tabakasında belirsiz uzunluktaki karbin zincirlerinin tespit edildiğini iddia etti, yaklaşık olarak 180  nm kalınlığında, ortam sıcaklığında alkali metal amalgam içine daldırılmış katı politetrafloroetilenin (PTFE, Teflon) reaksiyonundan kaynaklanır (hiçbir hidrojen içeren tür olmadan). Tahmini tepki şuydu:

(-CF
2-CF
2-)
n + 4M → (-C≡C-)
n+ 4MF ,

burada M, lityum , sodyum veya potasyumdur . Yazarlar , zincirler arasındaki metal florürün nanokristallerinin polimerizasyonlarını engellediğini varsaydılar.

1999 yılında bakır(I) asetilidin ( Cu+
2 C2−
2), hava veya bakır(II) iyonlarına maruz bırakılarak kısmi oksidasyon ve ardından hidroklorik asit ile ayrışmadan sonra , (−C≡C−) spektral imzalı "karbonlu" bir kalıntı bırakır.
nn =2–6 olan zincirler . Önerilen mekanizma, asetilid anyonlarının C oksidatif polimerizasyonunu içerir.2−
2karbyne tipi anyonlara C(≡C−C≡)
nC 2− veya kümülen tipi anyonlar C(=C=C=)
mC 4− . Ayrıca, bakır asetilidin vakumda termal bozunması, şişenin duvarlarında, spektral veriler temelinde, grafit yerine karbin olduğu iddia edilen, ince bir karbon tozundan oluşan kabarık bir tortu verdi. Son olarak, amonyak çözeltisi içinde bakır asetilidin oksidasyonu ( Glaser reaksiyonu ), artık bakır(I) iyonları ile kaplanmış "poliasetil" anyonlarından oluştuğu iddia edilen karbonlu bir tortu üretir,

Cu+
 C-
(≡C−C≡)
nC-
 Cu+
.

Kalan bakır miktarı temelinde, ortalama birim sayısı n'nin 230 civarında olduğu tahmin edildi.

2004'te, sentezlenmiş bir lineer karbon allotropunun analizi, lineer carbyne'ın alternatif üçlü-tek modeli yerine , kümülen bir elektronik yapıya ( sp- hibritleştirilmiş bir karbon zinciri boyunca sıralı çift ​​bağlar) sahip olduğunu buldu .

2016 yılında, 6.000 sp- hibritlenmiş karbon atomuna kadar lineer zincirlerin sentezi rapor edilmiştir. Zincirler, çift duvarlı karbon nanotüpler içinde büyütüldü ve konakçıları tarafından korunan oldukça kararlı.

poliynler

Saf nötr karbon malzemede "carbyne" zincirlerinin varlığı hala tartışmalı olsa da, kısa (−C≡C−)
nzincirler, daha büyük moleküllerin ( polienler ) alt yapıları olarak iyi kurulmuştur . 2010 itibariyle, kararlı bir moleküldeki bu tür en uzun zincir, oldukça hacimli uç gruplarla stabilize edilmiş 22 asetilenik birime (44 atom) sahipti.

Yapı

Bu formdaki karbon atomlarının her biri sp orbital hibridizasyonu ile geometride doğrusaldır . Tahvillerin tahmini uzunluğu,120.7  pm (üçlü) ve137.9 pm (tek).

Bir karbon atomu zinciri için diğer olası konfigürasyonlar, yalnızca çift bağlı polikümülen (polietilen-diiliden) zincirlerini içerir (128.2 öğleden sonra ). Bu zincirin bir Peierls boşluğu ile biraz daha yüksek enerjiye sahip olması bekleniyor .2-5  eV . kısaca C için
nmoleküller, ancak, polikümülen yapısı tercih edilir görünüyor. Zaman , n bile, çift yere konfigürasyonları, çok yakın enerji, bir arada olabilir: bir doğrusal ve bir siklik (eşkenar).

Karbin zincirinin esnekliğinin sınırları, zincirinin büküldüğü tespit edilen 8 asetilenik birimli bir omurgaya sahip sentetik bir poliyle gösterilmiştir. 25° veya daha fazla (yaklaşıkBitişik moleküllerin hacimli uç gruplarını yerleştirmek için katı halde her karbonda 3° ).

Yüksek derecede simetrik karbyne zincirinin, her bir tek-çift çiftindeki bağların gerilmesi nedeniyle, frekansı tipik olarak 1800 ve arasında olan, Σ g simetrili yalnızca bir Raman- aktif moduna sahip olması beklenir.2300  cm -1 , çevrelerinden etkilenirler.

Özellikler

Carbyne zincirlerinin yoğunluk başına bilinen en güçlü malzeme olduğu iddia edilmiştir. Hesaplamalar, carbyne'nin özgül çekme mukavemetinin (kuvvet bölü yoğunluk)(6.0-7.5) X 10 7  ( N⋅m ) / kg atım grafen ((4,7-5,5) x 10 7  (N⋅m) / kg ), karbon nanotüpleri ((4,3-5,0) x 10 7  (N⋅m) / kg ) ve elmas ((2,5-6,5) x 10 7  (N⋅m) / kg ). Spesifik modülü ( Young Modülünün yoğunluğa bölünmesi) yaklaşık10 9  (N⋅m)/kg aynı zamanda yaklaşık olarak grafenin iki katıdır.4.5 x 10 8  (N⋅m) / kg .

Carbyne'yi %10 germek, elektronik bant aralığını 3.2–4.4 eV . Zincirin uçlarında moleküler tutamaklarla donatılan bu zincir, bant aralığını değiştirmek için bükülebilir. Birlikte90° uçtan uca büküm, carbyne manyetik bir yarı iletkene dönüşür.

2017 yılında, uzunlukları 36 ila 6000 karbon atomu arasında değişen çift duvarlı karbon nanotüpler içindeki sınırlı lineer karbon zincirlerinin (LCC) bant boşlukları ilk kez belirlendi. 2.253–1.848 eV , Raman frekansı ile doğrusal bir ilişki takip eder. Bu alt sınır, şimdiye kadar gözlemlenen doğrusal karbon zincirlerinin en küçük bant aralığıdır. 2020'de lineer karbon zincirlerinin (LCC) gücü (Young modülü) deneysel olarak yaklaşık olarak hesaplandı.Grafen ve karbon nanotüpler gibi diğer karbon malzemelerden çok daha yüksek olan 20 TPa . Gaz fazında veya çözeltide kısa zincirler için elde edilen deneysel verilerle karşılaştırma, DWCNT kapsüllemenin etkisini gösterir ve bant boşluğunda önemli bir vites küçültmesine yol açar.

Çift duvarlı karbon nanotüplerin içindeki LCC'ler, (8,3) kiraliteye sahip tüpler için iç tüplerin fotolüminesans (PL) sinyalinin 6 faktörüne kadar artmasına neden olur. Bu davranış, iç borulardan karbon zincirlerine yerel bir yük transferine atfedilebilir, dış borular tarafından indüklenen söndürme mekanizmalarını dengeler.

Carbyne zincirleri, zincirleri enerji ve hidrojen depolaması için uygun hale getirebilecek yan molekülleri alabilir.

Referanslar

daha fazla okuma