Forma węgla, nazwana przez naukowców karbinem, jest mocniejsza i sztywniejsza niż jakikolwiek znany do tej pory materiał. Karbin jest około dwa razy bardziej wytrzymały niż grafen i nanorurki węglowe.
Karbin (z ang. carbyne) posiada długą listę nietypowych i bardzo pożądanych właściwości, które czynią go interesującym materiałem do wielu różnych zastosowań, od nanoelektronicznych/spinowych urządzeń przeznaczonych do magazynowania wodoru, do produkcji baterii o wysokiej gęstości energii. Karbin był znany wcześniej, lecz dopiero niedawno naukowcy rozpoczęli dokładne symulacje teoretyczne.
Karbin, to łańcuch atomów węgla, które są połączone ze sobą przez kolejne wiązania podwójne (=C=C=) lub naprzemiennie pojedyncze i potrójne (-C|||C-). Do tej pory o karbinie wiadomo było niewiele. Astronomowie uważają, że alotropowa odmiana węgla pierwszy raz została wykryta w meteorytach i pyle międzygwiezdnym. Kilka lat temu karbinowy łańcuch 44 atomów węgla został zsyntetyzowany w laboratorium, ale naukowcy ciągle mają bardzo mało praktycznej wiedzy o tym jak się go tworzy i jakie są jego właściwości.
Aby temu zaradzić, Mingjie Liu wraz z zespołem Rice University obliczyli teoretyczne właściwości karbinu, które mogą pomóc podczas badań empirycznych. Badacze przedstawili analizę właściwości karbinu z uwzględnieniem badań wytrzymałości na rozciąganie, zginanie i odkształcenia skrętne. Naukowcy wyliczyli, że wytrzymałość właściwa (czyli wytrzymałość w stosunku do masy - ciśnienie podzielone przez gęstość materiału) karbinu jest na niespotykanym poziomie (6.0-7.5×10^7 N∙m/kg, w porównaniu do grafenu 4.7-5.5×10^7 N∙m/kg, nanorurek węglowych 4,3-5,0×10^7 N∙m/kg) oraz diamentu (2.5-6.5×10^7 N∙m/kg), jest prawie niemożliwe, aby go rozciągnąć (wierzchołki karbinu mają sztywność na poziomie około 10^9 N∙m/kg, dla porównania sztywność grafenu to 4,5×10^8 N∙m/kg). Zerwanie pojedynczego wiązania w łańcuchu atomowym wymaga użycia siły o wartości około 10 nN. Długość łańcucha w temperaturze pokojowej wynosi około 14nm.
Według obliczeń naukowców karbin jest dość stabilny chemicznie, a przy tym zaskakująco elastyczny.
Przez dodanie grupy funkcyjnej CH2 na końcu łańcucha karbin może zostać skręcony podobnie jak nici DNA. Przez "dekorowanie" łańcuchów karbinu różnymi cząsteczkami, można modyfikować inne właściwości. Dodanie pewnych atomów wapnia, które łączą się z atomami wodoru spowoduje powstanie gąbki o wysokiej gęstości do magazynowania wodoru.
Zbadano również trwałość chemiczną, czyli obronę przed samoistną agregacją. Naukowcy oszacowali barierę aktywacji na poziomie 0,6 eV dla reakcji sieciowania węgiel-węgiel.
Karbin nie może być rozciągnięty, ale można go wygiąć w łuk lub okrąg - dodatkowe obciążenie (10%) zmienia szerokość przerwy energetycznej od 3,2 do 4,4 eV. Ta właściwość może prowadzić do zastosowania karbinu przy projektowaniu MEMS (z ang. Micro Electro-Mechanical Systems) zintegrowanych układów elektro-mechanicznych, których co najmniej jeden wymiar szczególny znajduje się w skali mikro (0,1 - 100 μm).
Należy pamiętać, że podobnie jak grafen, karbin to materiał o grubości zaledwie jednego atomu. Jeden gram grafenu ma powierzchnię około pięciu kortów tenisowych. Może to mieć duże znaczenie w takich dziedzinach, jak magazynowanie energii (baterie, superkondensatory), w którym gęstość energii urządzenia jest wprost proporcjonalna do powierzchni elektrody. Wymienione wcześniej gąbki do magazynowania wodoru również bazują na ogromnej powierzchni właściwej karbinu.
Dzięki kilku poprzednich badaniom naukowcy wiedzą jak syntetyzować niewielkie ilości karbinu. Obliczenia i kalkulacje teoretyczne pobudzają apetyty nanotechnologów i dają nadzieję na projektowanie coraz bardziej egzotycznych nanomaszyn. Biorąc pod uwagę postępy poczynione w produkcji, już niedługo możemy doczekać się realnego wykorzystania niezwykłych właściwości mechanicznych karbinu.
Marcin Włudyka, MaterialyInzynierskie.pl | 
