A Reactive Molecular Dynamics Study on the Mechanical Properties of a Recently Synthesized Amorphous Carbon Monolayer Converted into a Nanotube/Nanoscroll

Kohlenstoff besitzt ein einzigartiges Talent dafür, die Zukunft zu bauen. Vom Graphit in einem Bleistift bis zum Diamanten in einem Ring kann sich dieses einzelne Element in Strukturen mit völlig unterschiedlichen Persönlichkeiten anordnen. In der Welt der Nanotechnologie sind Wissenschaftler schon lange von zwei spezifischen Formen fasziniert, die aus Kohlenstoffatomen bestehen: winzigen Röhren und spiralförmigen Rollen. Diese Strukturen werden für ihre unglaubliche Festigkeit und ihre Fähigkeit zur elektrischen Leitfähigkeit geschätzt, was sie zu potenziellen Kandidaten für alles Mögliche macht, von schnelleren Computerchips bis hin zu effizienteren Solarpaneelen. Die perfektesten Versionen dieser Formen sind jedoch oft schwierig herzustellen, ohne dass Fehler auftreten. Kürzlich entdeckten Forscher einen Weg, ein neues Kohlenstoffmaterial zu erschaffen, das von Natur aus ungeordnet ist und aus Ringen von Atomen besteht, die in ihrer Größe variieren, anstatt ein perfektes, sich wiederholendes Muster zu bilden. Dieses Material, bekannt als amorpher Kohlenstoff, bietet einen anderen Weg nach vorn. Die große Frage für die Wissenschaftler war, ob dieser chaotische, unregelmäßige Kohlenstoff dennoch stabil bleiben würde, wenn er zu einer Röhre oder einer Rolle aufgewickelt wird, und wie seine Festigkeit im Vergleich zu den perfekt geordneten Versionen, die wir bereits kennen, aussehen würde.

Ein Team von Forschern aus Brasilien machte sich daran, dies zu beantworten, indem sie eine detaillierte Computersimulation dieser neuen Materialien erstellte. Sie bauten keine physischen Röhren in einem Labor, sondern nutzten ein leistungsstarkes digitales Modell, um zu beobachten, wie sich einzelne Atome unter extremen Bedingungen verhalten. Sie begannen mit einer flachen Schicht dieses neu synthetisierten amorphen Kohlenstoffs, eines Materials, das aus zufällig gemischten Ringen von fünf, sechs, sieben und acht Atomen besteht. Aus dieser Schicht konstruierten sie virtuell zwei Formen: eine Nanoröhre, die ein Zylinder ist, und eine Nanorolle, die wie ein aufgerolltes Stück Papier mit offenen Enden aussieht. Um ihre Grenzen zu testen, setzten die Forscher diese digitalen Strukturen zwei Arten von Belastung aus. Zuerst zogen sie sie auseinander, um zu sehen, wie weit sie sich dehnen konnten, bevor sie brachen. Zweitens erhitzten sie sie, um zu sehen, bei welcher Temperatur sie schmelzen und zerfallen würden. Durch den Vergleich dieser amorphen Versionen mit ihren perfekten, geordneten Gegenstücken hoffte das Team zu verstehen, ob die natürliche Unordnung des Materials sie schwach machen würde oder ob sie den Anforderungen der realen Welt standhalten könnte.

Die Ergebnisse der Simulation zeigten einen faszinierenden Unterschied darin, wie diese Materialien mit dem Ziehen umgehen. Wenn die perfekten, geordneten Röhren und Rollen gedehnt wurden, hielten sie stand, bis sie einen kritischen Punkt erreichten, an dem sie plötzlich und sauber rissen. Die amorphen Versionen verhielten sich jedoch anders. Bevor sie schließlich brachen, traten sie in eine seltsame, nicht-elastische Phase ein, in der sie begannen, sich auf eine Weise zu verformen, die die perfekten Strukturen nicht taten. Während dieses Dehnungsprozesses beobachteten die Forscher die Bildung winziger, linearer Ketten von Kohlenstoffatomen innerhalb des Materials, ein Zeichen dafür, dass sich die interne Struktur unter Druck neu anordnete. In Bezug auf die Festigkeit waren die perfekten Strukturen robuster. Die geordneten Nanoröhren konnten etwa 48 Prozent ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden, während die amorphen Röhren bei etwa 27 Prozent brachen. Ähnlich verhielten sich die geordneten Rollen bei einer Dehnung von etwa 34 Prozent, während die amorphen bei etwa 24 Prozent versagten. Dies bestätigt, dass das ungeordnete Material zwar immer noch stark ist, aber nicht ganz so belastbar gegenüber Zugspannung ist wie die makellose Version.

Die überraschendste Entdeckung war vielleicht, dass die Form des Objekts für das amorphe Material weniger wichtig war als für das perfekte. Für die geordneten Strukturen machte es einen riesigen Unterschied, ob es eine Röhre oder eine Rolle war, was darauf hindeutet, dass die Geometrie der Form eine große Rolle für ihr Verhalten spielt. Für die amorphen Versionen hingegen verhielten sich die Röhre und die Rolle fast gleich. Das innere Chaos der Atome schien den Einfluss der Form zu überlagern, was die Unordnung zum dominierenden Faktor für das Verhalten des Materials machte. Dies deutet darauf hin, dass bei einer zufälligen Anordnung der Kohlenstoffatome die spezifische Art und Weise, wie sie aufgewickelt werden, weniger wichtig ist als die Tatsache, dass sie ungeordnet sind.

Die Studie untersuchte auch, wie gut diese Strukturen intensiver Hitze standhalten können. Die Forscher erhitzten die digitalen Modelle von Raumtemperatur bis auf 10.000 Kelvin, eine Temperatur, die weit heißer ist als die Oberfläche der Sonne. Sie beobachteten, wann die festen Strukturen ihre Form verlieren und in einen gasähnlichen Zustand übergehen würden. Die geordneten Nanoröhren erwiesen sich als die hitzebeständigsten und überstanden bis zu 6.300 Kelvin, bevor sie schmolzen. Die amorphen Nanoröhren waren etwas weniger stabil und schmolzen bei 5.500 Kelvin. Die Rollen, sowohl die geordneten als auch die ungeordneten, waren weniger stabil als die Röhren und schmolzen bei 5.900 Kelvin bzw. 5.100 Kelvin. Dies deutet darauf hin, dass die amorphen Strukturen zwar etwas weniger hitzebeständig sind als ihre perfekten Gegenstücke, aber dennoch eine bemerkenswerte thermische Stabilität besitzen und Temperaturen standhalten können, die die meisten anderen Materialien zerstören würden.

Letztendlich liefert diese Arbeit ein klares Bild davon, wie sich diese neue, chaotische Form von Kohlenstoff in Form von nützlichen Nanostrukturen verhält. Die Simulationen zeigen, dass diese amorphen Röhren und Rollen zwar nicht ganz so stark oder hitzebeständig wie die perfekten Versionen sind, aber dennoch unglaublich robust sind. Die Tatsache, dass die Unordnung im Material die Form weniger relevant macht, könnte tatsächlich ein Vorteil für die Herstellung sein, da es mehr Flexibilität bei der Produktion dieser Materialien ermöglichen könnte, ohne eine perfekte atomare Anordnung aufrechterhalten zu müssen. Die Forschung bestätigt, dass dieser kürzlich synthetisierte Kohlenstoff ein lebensfähiger Kandidat für zukünftige Technologien ist und ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Stabilität bietet, das die bestehende Familie der kohlenstoffbasierten Nanomaterialien ergänzen kann.