carbyn

Volgens theoretische berekeningen is er een uit koolstof bestaand materiaal, carbyn, denkbaar dat zeker tweemaal zo sterk is dan zelfs de bekende koolstofnanobuisjes en grafeen. Kunnen we met dit materiaal eindelijk een ruimtelift bouwen?

Wat is carbyn?
Carbyn is de chemische naam van een ketting van koolstofatomen, die onderling met dubbele verbindingen of afgewisseld enkele en drievoudige verbindingen verbonden zijn (in feite bevindt de werkelijke toestand zich hier, onbepaald, tussenin – welkom in de wondere wereld van de kwantummechanica). Carbyn is hiermee echt een eendimensionaal materiaal. Als iemand er ooit in zal slagen om carbyn in bulk te bereiden, dan ontstaat er een materiaal dat mogelijk zelfs het sterkst denkbare materiaal ooit is. De reden: alle koolstofverbindingen lopen parallel met de trekkracht. Het materiaal kan onder spanning niet van vorm veranderen, alleen uitrekken. Hiervoor is theoretisch de maximale kracht nodig die de chemische binding tussen koolstofatomen kan leveren. Dat is dubbel zoveel als het sterkste materiaal tot nu toe bekend en zelfs drie keer zo veel als diamant.

Onverwachte eigenschappen
Het materiaal kent nog andere interessante eigenschappen. Zo veranderen de elektronische eigenschappen al als het materiaal 10% uitgetrokken wordt. Wordt de ketting 90 graden gedraaid, dan ontstaat een magnetische halfgeleider. Aan de carbynketens kunnen ook andere moleculen worden gekoppeld, waardoor het gebruikt kan worden om energie op te slaan. Carbynketens zijn stabiel bij kamertemperatuur en vormen niet snel verbindingen met andere ketens. Dit is een interessante combinatie van eigenschappen, aldus de ontdekker Boris Yacobson. Naast in kabels voor ruimteliften, kunnen de carbynketens gebruikt worden in nanomechanische systemen (als bijvoorbeeld een extreem sterk eenatomig trekkoord), in sterke lichtere materialen en voor energie-opslag. In een vliegwiel van carbyn kan drie keer zoveel energie worden opgeslagen als in een vliegwiel van diamant met dezelfde vorm.

Bestaat carbyn al?
Ethyn (HCCH), een driedubbele binding tussen twee koolstofatomen met aan de uiteinden elk een waterstofatoom, is al meer dan 100 jaar bekend onder de naam acetyleen en wordt bij autogeen lassen gebruikt om extreem hete vlammen mee te produceren. Het is veel lastiger om langere alkynen te produceren. Een materiaal dat op carbyn lijkt, werd voor het eerst geproduceerd in de USSR in 1960. Sindsdien hebben experimenteel chemici het materiaal in kleine hoeveelheden geproduceerd, is het aangetroffen in samengeperst grafiet en ook aangetroffen in sterrenstof. Er is dus sprake van een fysisch mogelijke en ook bestaande stof. Het enige wat ons ontbreekt is een methode om deze stof grootschalig en voordelig te produceren.

Welke methode gebruikten de onderzoekers?
Kwantummechanica wordt door veel mensen gezien als een ondoorgrondelijke theorie. Inderdaad is kwantummechanica met gezond verstand moeilijk te bevatten, maar onze theorieën zijn als rekenmodel ondertussen zo goed, dat met computermodellen een nauwkeurigheid tot op 13 decimalen kan worden bereikt. Althans: deze nauwkeurigheid geldt voor kwantumelektrodynamica (QED), de QD-variant die onder meer de volledige scheikunde beschrijft. Met andere woorden: zet je een supercomputer aan het werk die de beruchte perturbaties van QED tot het gewenste nauwkeurigheidsniveau aankan, dan kan je het gedrag van atoombindingen tot op dertien decimalen precies voorspellen. Dit is wat Yakobson en zijn mensen hebben gedaan. Omdat computers in de 21e eeuw onvergelijkbaar veel beter zijn dan die in de periode dat het meest onderzoek naar de cabine heeft plaatsgevonden, haalde het team-Yacobson enkele theoretische voorspellingen onderuit. Ze werden op het  spoor gezet, omdat er in de vrije natuur sporen carbyn  zijn  aangetroffen, iets dat onmogelijk was volgens deze eerdere theorie.

Onverwachte nieuwe eigenschappen
Zo voorspelde eerder onderzoek dat carbyn uit elkaar zal vallen, omdat het met zichzelf zou gaan regeren. Inderdaad blijkt met het nieuwe zeer nauwkeurige model dat carbyn slechts op één plek in de keten een andere keten dicht kan raken. De stijfheid van de keten belemmert dat de ketens elkaar op twee plekken tegelijk kunnen raken en dat ze zo aan elkaar geritst worden. In feite is wat zich dan vormt een soort poreus net, met een 5 keer zo groot specifiek oppervlak als het alom bejubelde grafeen.
Onverwacht was de ontdekking dat de elektron-barrière zo gevoelig was voor draaien. Er ontstaat zo een soort mechanisch te bedienen transistor. Erg handig voor schakelingen in nanomachientjes.

Het vervolg
Het team wil meer onderzoek doen naar andere elementen. Je zou dan bijvoorbeeld kunnen denken aan verbindingen met boor, in het periodiek systeem de lichtere buurman van koolstof, of andere elementen die eendimensionale structuren kunnen vormen. Ook wil de groep de geleidbaarheid van carbyn beter onderzoeken.

Bron
B.I.Yacobson et al., Carbyne from first principles: Chain of C atoms, a nanorod or a nanorope?, ArXiv preprint server (2013) Peer-reviewed (paywall)