Физики синтезировали графин — его пытались создать более 10 лет

Аллотропные формы углерода обладают уникальными свойствами – сверхпроводимостью, легкостью, гибкостью. Это позволяет использовать их в нанотехнологиях и в перспективе — также и в квантовой электронике.

Пока что удалось синтезировать два аллотропа – фуллерен и графен. Но в 1968 году было теоретически предсказано существование графина. Этот материал похож на графен: он является широкозонным полупроводником и обладает нелинейными оптическими свойствами. Но также в нем теоретически возможно существование запрещенной зоны (области значений энергии, которыми в идеальном кристалле не может обладать электрон) ненулевой ширины.

Эти свойства достигаются за счет особой структуры вещества. Графин состоит из плоских слоев углерода толщиной в один атом, причем половина атомов находится в sp-гибридизации, другая половина – в гибридизации sp². 

При этом у графина есть пять разновидностей, одна из них – графин-2 или графдиин — была синтезирована в 2010 году при помощи реакции Глазера. Сейчас физикам из университета Колорадо удалось получить ϒ-форму или графин-5. Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature Synthesis.

Дело в том, что ранее делались попытки синтезировать графин на основе необратимых реакций сочетания. Такой как раз является реакция Глазера – это окисление алкинов до ацетиленов в спиртовом растворе аммиака с присутствием солей одновалентной меди. Но при этом образуются наноматериалы, в которых отсутствует дальний порядок.

В новом исследовании для получения кристаллического графина-5 ученые применили обратимый синтез метатезиса алкинов. Это органическая реакция, во время которой химические связи алкинов могут перераспределяться, разрезаться или даже преобразоваться. При этом возникают новые упорядоченные структуры и кристаллические решетки, например, как в синтетических ДНК-подобных полимерах.

Физики использовали два разных гексаалкинилзамещенных бензола как сомономеры, что позволило соблюсти баланс между кинетическим и термодинамическим контролем во время синтеза.

Для выявления результата задействовали порошковую рентгенографию и дифракцию электронов, которые показали, что кристаллические решетки нескольких слоев графина располагаются в шахматном порядке. Также исследователи изучили складчатость нового вещества, причем при расслаивании внутри каждой чешуйки получались «ступени» высотой всего 9 нм.

Теперь, когда материал создан, ученые планируют подробно изучить его свойства, а также разработать технологию для производства графина в промышленных масштабах.

Предполагается, что в будущем графин будет активно использоваться в нано- и термоэлектронике и для производства литий-ионных батарей. Также трубки из графина с добавление металлов можно будет применять для хранения водорода в сфере накопления энергии.