稳定性解决方案使独特形式的碳更接近实际应用

碳炔是一种一维碳原子链，由于其非常薄而具有令人难以置信的强度，这使其成为下一代电子产品中使用的一种有趣的可能性，但其极端的不稳定性导致其自身弯曲和断裂，这使得它几乎不可能生产，更不用说生产足够的碳用于高级研究了。现在，包括宾夕法尼亚州立大学在内的一个国际研究团队可能已经找到了解决方案。

研究小组将碳炔封闭在单壁碳纳米管中，碳纳米管是一种完全由碳制成的微小管状结构，比人类头发细数千倍。研究人员说，在低温下这样做可以使碳炔更稳定，更容易生产，可能会导致材料科学和技术的新进展。

他们称这一发展为“有希望的消息”，因为科学家们几十年来一直在努力创造一种足够大数量的稳定形式的碳炔，以进行更深入的研究。

“碳炔的发现史就像一个侦探故事，”工程科学与力学教授Slava V.Rotkin说，他也是发表在ACS Nano上的这项研究的合著者。“这是理论上预测的，但多年来，合成它的尝试都没有成功，因为链会弯曲或形成意外的键。”

这种不稳定性使得研究变得困难，更难想象在现实世界的应用中使用。然而，与石墨烯一样，这种原子级薄的二维碳材料已经应用于一些电子产品中，碳炔的极端强度和电子特性继续吸引着研究人员，因为它有可能彻底改变电子产品，Rotkin说。不过，碳炔的吸引力更大，因为它比石墨烯具有内在的优势。“像石墨烯一样，碳炔可以让电子快速移动，”Rotkin说。“然而，碳炔也有一种叫做‘半导体间隙’的东西，这使得它可用于制造晶体管，即为电子设备供电的微型开关。另一方面，石墨烯没有这种间隙，因此不能以同样的方式使用。”

半导体间隙是一种小的能隙，允许材料充当电流开关。纯石墨烯本身不能成为晶体管，因为电子总是可以流过它，因为它没有这个间隙。石墨烯可以通过各种添加和操作被设计成具有间隙，但碳炔自然具有间隙。这意味着，与当今的硅基技术相比，未来基于碳炔的电子产品可以更容易地提供更快、更高效的性能。

除了可能解决不稳定性问题外，研究人员的新合成方法还可以解决卡宾发挥其巨大潜力的另一个障碍。卡宾研究中最大的挑战之一是大量生产。在过去，通常在高温、高压或化学反应环境等极端条件下，只能制备少量的碳炔。这些因素使科学家难以充分探索其特性。然而，新的合成方法改变了这一点。研究人员表示，这种新方法之所以脱颖而出，是因为它与旧技术相比更容易、更有效。首先，该团队使用了一种特殊的前体，它可以作为温和的起始材料，称为胆酸铵，在更低的温度下生长碳炔。

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其次，他们使用单壁碳纳米管作为碳炔周围的一种保护壳，这比过去使用的较厚的多层管效果要好得多。这种外壳有助于保持脆弱的碳炔稳定。

最后，新方法产生的碳炔比以前多得多，这意味着科学家现在可以更详细地研究它，并探索它在现实世界中的应用。Rotkin说：“这项技术的两大进步是成本低、产量高。”。“这为基础科学和实际应用领域的更广泛研究打开了大门。”

通过将碳炔封装在碳纳米管内，研究人员还找到了一种保持其独特性质的方法。纳米管充当保护壳，防止碳炔分解，同时仍允许科学家以近乎纯的形式研究它。“重要的是，单壁纳米管不会对碳炔链造成太大干扰，”Rotkin指出。Rotkin说：“只有温和的范德华相互作用——这种弱力使碳炔能够保持原位，而不会与纳米管壁结合。”虽然现实世界的应用仍处于早期阶段，但碳炔的潜力是巨大的。因为它是一种高度相关的材料，它的性质超越了经典物理学，这意味着它可以在下一代计算和纳米技术中得到应用。“像这样的材料在正常状态和兴奋状态下都有复杂的行为，”Rotkin说。“这意味着我们正在研究量子材料，这可能会带来全新的技术。”

研究小组在研究过程中也有了一个意想不到的发现。他们发现，一种常见的溶剂——胆酸盐，一种人体用来溶解有机化合物的胆酸盐——可以在没有额外复杂步骤的情况下转化为碳炔链。Rotkin说：“像胆酸盐这样的常见溶剂可以毫无问题地转化为碳炔链，这完全令人惊讶。”。“这表明，即使是熟悉的材料也可以在高级化学中发挥新的作用。”尽管关于碳炔的许多问题仍未得到解答，但Rotkin表示，他认为这是向前迈出的重要一步。有了一种稳定的方法来大量生产碳炔，研究人员现在可以更深入地探索其潜力。Rotkin说：“过去，可用于研究的材料量几乎不足以让一两组人证实其存在。”。“现在，我们有机会真正了解它的特性和应用。”