Относительно новая форма углерода, называемая карбин, может стать тем материалом, который в недалеком будущем отнимет у графена и углеродных нанотрубок пальму первенства самых прочных в мире материалов. Помимо прочности, превосходящей прочность графена и нанотрубок почти в два раза, карбин обладает еще целым рядом экзотических и интересных свойств, которые открывают широкие перспективы использования этого материала в наноэлектронике, в спинтронике, в технологиях хранения водорода и электрической энергии с небывалой до этого плотностью хранения.
Карбин, известный еще как аллотропная форма углерода, представляет собой цепь атомов углерода, соединенных последовательными двойными связями или чередованием тройной и одиночной связи. До последнего времени о карбине было известно, кроме факта его существования, весьма немногое. Астрономы обнаружили карбин в материале некоторых метеоритов, астероидов и в облаках межзвездной пыли. А в лабораториях удалось синтезировать цепочки карбина, длиной максимум 44 атома.
Естественно, что при таком положении дел науке известно очень мало о самом карбине и о его свойствах. Но и того, что известно, достаточно для того, чтобы вызвать у ученых повышенный интерес к этому материалу. Мингджи Луи (Mingjie Liu), вместе с коллегами из университета Райс, пытаясь заполнить пробелы знаний о карбине, прибегли к помощи математических методов, основанных на достаточно известных людям свойствах атомов углерода. Первым делом ученые рассчитали, что прочность карбина составляет 6.0-7.5?10^7 Н?м/кг, что почти в два раза превосходит прочность графена (4.7-5.5 ?10^7 Н?м/кг). Помимо этого ученые выяснили, что молекулы карбина практически не растягиваются, оставаясь, при этом, удивительно гибкими, и имеют весьма высокую химическую устойчивость.
Изгиб цепочки карбина приводит к возникновению дополнительного напряжения между атомами углерода, что смещает электрическую запрещенную зону этого материала, придавая ему ярко выраженные полупроводниковые свойства. Такая особенность может использоваться в различных микроэлектромеханических системах в качестве своеобразного датчика и регулятора положения. Добавляя молекулы различных веществ, к примеру, метилена (CH2), к концам молекулы карбина, можно вызвать искусственное искривление молекулы и даже сформировать ее в виде спирали, подобной спирали молекулы ДНК. Помимо этого, "украшение" концов молекулы карбина молекулами различных соединений и веществ позволяет придать материалу другие дополнительные свойства, порой весьма экзотические. К примеру, добавление атомов кальция превращает цепочку атомов углерода в материал, интенсивно связывающий водород, который можно использовать для изготовления устройств хранения этого экологически чистого топлива будущего.
Также важно отметить, что подобно графену, карбин имеет толщину всего в один атом. Это означает, что в расчете на единицу массы материала он обладает поистине огромной площадью поверхности. Естественно, что такое свойство карбина делает его крайне привлекательным для устройств хранения электрической энергии, для аккумуляторных батарей и суперконденсаторов, в которых главную роль играет эффективная площадь поверхности электродов.
К сожалению, крайне ограниченные возможности синтеза карбина, несмотря на широкий круг его интересных свойств, ограничивают интерес к этому материалу со стороны исследовательских организаций. Но некоторые организации все же уже ведут поиски способов получения карбина в больших количествах. И когда такие способы будут найдены, этот материал может стать объектом еще более масштабных исследований, нежели графен и углеродные нанотрубки.
