卡内基科学研究所
艺术家的构想展示了当起始材料被压缩在两个钻石的尖端之间时，如何引导钻石纳米线的合成
这种钻石砧是一种经常使用的工具，用于将物质带到极端压力下，卡内基科学家几十年来一直是部署这种研究技术的先驱
信用:塞缪尔·邓宁 像钻石一样坚硬，像塑料一样柔韧，广受欢迎的钻石纳米线将会彻底改变我们的世界——如果它们不是那么难以制造的话
最近，由卡内基的Samuel Dunning和Timothy Strobel领导的一个科学家小组开发了一种原创技术，该技术可以预测和引导强而柔韧的金刚石纳米线的有序创造，克服了几个现有的挑战
这项创新将使科学家更容易合成纳米线——这是未来将这种材料应用于实际问题的重要一步
这项工作最近发表在《美国化学学会杂志》上
钻石纳米线是超薄的一维碳链，比人的头发细数万倍
它们通常是通过将较小的碳基环压缩在一起形成相同类型的键而形成的，这种键使钻石成为我们星球上最坚硬的矿物
然而，与普通钻石中的3D碳晶格不同，这些线的边缘被碳氢键“覆盖”，这使得整个结构具有弹性
邓宁解释说，“因为纳米线只有一个方向的键，它们可以以普通钻石无法做到的方式弯曲和变形
" 科学家预测，碳纳米线的独特性能将有一系列有用的应用，从在太空电梯上提供科幻般的脚手架到创造超强的织物
然而，科学家们很难创造足够的纳米线材料来实际测试他们提出的超能力
“如果我们想为特定的应用设计材料，”邓宁说，“对我们来说，准确理解我们正在制造的纳米线的结构和结合是至关重要的
这种线程引导方法确实允许我们这样做
" 最大的挑战之一是让碳原子以可预测的方式反应
在由苯和其他六原子环制成的纳米线中，每个碳原子都可以与不同的邻居发生化学反应
这导致许多可能的相互竞争的反应和许多不同的纳米线配置
这种不确定性是科学家合成纳米线时面临的最大障碍之一，因为纳米线的精确化学结构可以确定
邓宁的团队确定，在环中加入氮来代替碳可能有助于引导反应沿着可预测的路径进行
他们选择从哒嗪开始研究，哒嗪是一种由四个碳和两个氮组成的六原子环，并开始研究计算机模型
邓宁与多诺斯蒂国际物理中心的陈博、罗格斯大学和卡耐基大学的助理教授梨竹合作，模拟哒嗪分子在高压下的行为
“在我们的系统中，我们使用两个氮原子从环系统中除去两个可能的反应位点
邓宁说:“这大大减少了可能发生的反应。”
哒嗪的初始样品——由四个碳和两个氮组成的六原子环——随着金刚石纳米线的形成，在压力下会发生变化
第一个和最后一个图像显示，在螺纹形成后，样品之间存在永久的颜色变化
这些图像没有显示单独的细丝，而是压缩过程中哒嗪的“大量”样本，每个样本大约40微米厚，直径为180微米
信用:塞缪尔·邓宁 在运行了几次显示高压下成功形成纳米线的计算机模拟后，他们准备将实验带到实验室
研究小组取了一滴哒嗪并将其装入钻石砧座中——这种设备允许科学家通过在更传统的钻石的微小尖端之间压缩样本来产生极端压力
利用红外光谱和X射线衍射，他们监测了哒嗪化学结构的变化，寻找新键的生成，该变化高达正常大气压的30万倍
当他们看到化学键形成时，他们意识到他们已经成功预测并在实验室创造了第一条哒嗪钻石纳米线
邓宁说:“我们的反应路径产生了令人难以置信的有序纳米线。”
“将其他原子纳入纳米线骨架、引导反应以及了解纳米线的化学环境的能力将为研究人员节省开发纳米线技术的宝贵时间
" 这种使用这些非碳原子来引导纳米线形成的过程，邓宁称之为“线导向”，是朝着未来科学家可以预测地创造这些材料并将其用于高级应用的重要一步
既然这种合成策略已经被发现，邓宁计划识别并测试许多可能的纳米线前驱物
他也迫不及待地开始测试哒嗪纳米线
邓宁总结道，“既然我们知道我们可以制造这种材料，我们需要开始制造足够多的材料，以了解足够多的机械、光学和电子特性
"
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