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

Koolstof heeft een uniek talent om de toekomst te bouwen. Van het grafiet in een potlood tot de diamant in een ring: dit enkele element kan zichzelf arrangeren in structuren met zeer verschillende persoonlijkheden. In de wereld van de nanotechnologie zijn wetenschappers al lang gefascineerd door twee specifieke vormen gemaakt van koolstofatomen: minuscule buisjes en spiraalvormige rollen. Deze structuren worden gewaardeerd om hun ongelooflijke sterkte en het vermogen om elektriciteit te geleiden, wat ze potentiële kandidaten maakt voor alles van snellere computerchips tot efficiëntere zonnepanelen. De meest perfecte versies van deze vormen zijn echter vaak moeilijk te vervaardigen zonder defecten. Onlangs ontdekten onderzoekers een manier om een nieuw soort koolstofmateriaal te creëren dat van nature ongeordend is, bestaande uit ringen van atomen die variëren in grootte in plaats van een perfect, herhalend patroon te vormen. Dit materiaal, bekend als amorf koolstof, biedt een ander pad voorwaarts. De grote vraag voor wetenschappers was of dit rommelige, onregelmatige koolstof nog steeds bij elkaar zou blijven wanneer het wordt opgerold tot een buis of een rol, en hoe de sterkte ervan zich zou verhouden tot de perfect geordende versies die we al kennen.

Een team van onderzoekers uit Brazilië zette zich in om dit te beantwoorden door een gedetailleerde computersimulatie van deze nieuwe materialen te maken. Ze bouwden geen fysieke buisjes in een laboratorium; in plaats daarvan gebruikten ze een krachtig digitaal model om te kijken hoe individuele atomen zich gedragen onder extreme omstandigheden. Ze begonnen met een plat vlak van dit nieuw gesynthetiseerde amorfe koolstof, een materiaal dat bestaat uit willekeurig gemengde ringen van vijf, zes, zeven en acht atomen. Vanuit dit veld construeerden ze virtueel twee vormen: een nanotube, wat een cilinder is, en een nanoscroll, die lijkt op een opgerold stuk papier met open uiteinden. Om hun grenzen te testen, onderwierpen de onderzoekers deze digitale structuren aan twee soorten spanning. Eerst trokken ze ze uit elkaar om te zien hoeveel ze konden rekken voordat ze braken. Daarna verhitten ze ze om te zien bij welke temperatuur ze zouden smelten en uit elkaar zouden vallen. Door deze amorfe versies te vergelijken met hun perfecte, geordende tegenhangers, hoopte het team te begrijpen of de natuurlijke wanorde van het materiaal hen zwak zou maken of dat ze stand zou kunnen houden tegen de eisen van de echte wereld.

De resultaten van de simulatie onthulden een fascinerend verschil in hoe deze materialen omgaan met het worden uitgerekt. Wanneer de perfecte, geordende buisjes en rollen werden uitgerekt, hielden ze stand totdat ze een kritiek punt bereikten, waarna ze plotseling en schoon knapten. De amorfe versies gedroegen zich echter anders. Voordat ze eindelijk braken, gingen ze een vreemde, niet-elastische fase binnen waarin ze begonnen te vervormen op een manier waarop de perfecte structuren dat niet deden. Tijdens dit rekproces observeerden de onderzoekers de vorming van kleine, lineaire ketens van koolstofatomen binnen het materiaal, een teken dat de interne structuur zich onder druk aan het herorganiseren was. Wat betreft de sterkte waren de perfecte structuren taaier. De geordende nanotubes konden ongeveer 48 procent van hun oorspronkelijke lengte uitrekken voordat ze braken, terwijl de amorfe nanotubes braken bij ongeveer 27 procent. Op dezelfde manier hielden de geordende scrolls een rek van ongeveer 34 procent vol, terwijl de amorfe versies faalden bij ongeveer 24 procent. Dit bevestigt dat hoewel het ongeordende materiaal nog steeds sterk is, het niet zo veerkrachtig is tegen spanning als de foutloze versie.

Misschien wel de meest verrassende ontdekking was dat de vorm van het object er minder toe deed voor het amorfe materiaal dan voor het perfecte exemplaar. Voor de geordende structuren maakte het een groot verschil of het een buis of een rol was in hoe ze op spanning reageerden, wat suggereert dat de geometrie van de vorm een belangrijke rol speelt in hun gedrag. Voor de amorfe versies gedroegen de buis en de rol zich echter bijna hetzelfde. De interne rommeligheid van de atomen leek de invloed van de vorm te overstijgen, waardoor de wanorde de dominante factor werd in het gedrag van het materiaal. Dit suggereert dat wanneer koolstofatomen willekeurig zijn gerangschikt, de specifieke manier waarop ze worden opgerold minder belangrijk wordt dan het feit dat ze ongeorderd zijn.

De studie keek ook naar hoe goed deze structuren intense hitte konden overleven. De onderzoekers verhitten de digitale modellen van kamertemperatuur tot 10.000 Kelvin, een temperatuur die veel heter is dan het oppervlak van de zon. Ze keken wanneer de vaste structuren hun vorm zouden verliezen en een gasachtige staat zouden aannemen. De geordende nanotubes bleken de meest hittebestendige te zijn, waarbij ze tot 6.300 Kelvin overleefden voordat ze smolten. De amorfe nanotubes waren iets minder stabiel en smolten bij 5.500 Kelvin. De scrolls, zowel geordend als ongeorderd, waren minder stabiel dan de nanotubes, met smeltpunten van respectievelijk 5.900 Kelvin en 5.100 Kelvin. Dit geeft aan dat hoewel de amorfe structuren iets minder hittebestendig zijn dan hun perfecte tegenhangers, ze nog steeds een opmerkelijke thermische stabiliteit bezitten, in staat om temperaturen te weerstaan die de meeste andere materialen zouden vernietigen.

Uiteindelijk geeft dit werk een duidelijk beeld van hoe een nieuwe, rommelige vorm van koolstof zich gedraagt wanneer deze in nuttige nanostructuren wordt gevormd. De simulaties laten zien dat hoewel deze amorfe buisjes en rollen niet zo sterk of hittebestendig zijn als de perfecte versies, ze nog steeds ongelooflijk robuust zijn. Het feit dat de wanorde in het materiaal de vorm minder relevant maakt, zou in de praktijk zelfs een voordeel kunnen zijn voor de productie, omdat het meer flexibiliteit kan bieden in de manier waarop deze materialen worden geproduceerd zonder dat er een perfecte atomaire rangschikking nodig is. Het onderzoek bevestigt dat dit onlangs gesynthetiseerde koolstof een levensvatbare kandidaat is voor toekomstige technologieën, die een balans biedt van sterkte en stabiliteit die de bestaande familie van koolstofgebaseerde nanomaterialen kan aanvullen.