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       像金刚石一样坚硬，像塑料一样柔韧，备受追捧的金刚石纳米线将彻底改变我们的世界（如果它们不那么难制造的话）。最近，一个科学家团队开发了一种原创技术，可以预测和指导有序创建坚固而灵活的金刚石纳米线，克服了几个现有的挑战。这项创新将使科学家们更容易合成纳米线——这是未来将该材料应用于实际问题的重要一步。

       最近，由 Carnegie Science 的 Samuel Dunning 和 Timothy Strobel 领导的一个科学家团队开发了一种原创技术，可以预测和指导有序创建坚固而灵活的金刚石纳米线，克服了几个现有的挑战。这项创新将使科学家们更容易合成纳米线——这是未来将该材料应用于实际问题的重要一步。这项工作最近发表在 American Chemical Society 上。

       金刚石纳米线是超薄的一维碳链，比人类的头发还要细几万倍。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，从而使钻石成为地球上最坚硬的矿物。

       然而，与普通钻石中发现的 3D 碳晶格不同，金刚石纳米线的边缘被碳氢键“覆盖”，这使得整个结构变得灵活。

       Dunning 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弯曲的方式弯曲。”

       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类似于科幻的脚手架，到制造超强织物。然而，科学家们很难创造出足够的纳米线材料来实际测试他们提出的超能力。

      “如果我们想为特定应用设计材料，” Dunning 说，“我们必须准确了解我们正在制造的纳米线的结构和结合。这种线程指导方法真的让我们能够做到这一点！”

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，每个碳原子可以与不同的相邻碳原子发生化学反应。这导致了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在合成可以确定精确化学结构的纳米线时面临的最大障碍之一。

       Dunning 的团队确定，在环上添加氮取代碳可能有助于引导反应沿着可预测的路径进行。他们选择从吡嗪开始研究，这是一个由4个碳和2个氮组成的6原子环，然后开始研究计算机模型。邓宁与多诺斯蒂亚国际物理中心的陈博，以及罗格斯大学和卡内基校友大学的助理教授李竺合作，模拟了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去除两个可能的反应位点。这极大地减少了可能的反应的数量，” Dunning 说。

       在运行了几次计算机模拟显示在高压下成功形成纳米线后，他们准备把这个实验带到实验室。

       该团队取一滴哒嗪并将其装入金刚石砧室——该装置允许科学家通过在更传统的金刚石的微小尖端之间压缩样品来产生极端压力。使用红外光谱和 X 射线衍射，他们在正常大气压30万倍的情况下监测了哒嗪化学结构的变化，以寻找新的化学键的生成。

       哒嗪的起始样品——一个由四个碳和两个氮组成的六原子环——随着金刚石纳米线形成的进展在压力下发生变化。第一张和最后一张图像显示，螺纹形成后样品之间的颜色发生了永久性变化。这些图像没有显示单个线程，而是显示压缩过程中的“大块”哒嗪样品，每个样品厚约 40 微米，直径为 180 微米。

 图片来源：Samuel Dunning

       当他们看到化学键的形成时，他们意识到他们已经成功预测并在实验室中创造了第一个哒嗪金刚石纳米线。

       “我们的反应途径产生了一种令人难以置信的有序纳米线，” Dunning 说。“将其他原子纳入纳米线骨架、指导反应和了解纳米线的化学环境的能力，将为研究人员开发纳米线技术节省宝贵的时间。”

       使用这些非碳原子来引导纳米线形成的过程，Dunning 称之为“线引导（thread directing）”，是未来科学家可以预见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， Dunning 计划识别和测试许多可能的纳米线前体。他也迫不及待地开始测试哒嗪纳米线。

       Dunning 总结道：“既然我们知道我们可以制造这种材料，我们就需要开始制造足够的材料来学习足够的知识，以确定其机械、光学和电子性能!”

论文信息：

Samuel G. Dunning, Li Zhu, Bo Chen, Stella Chariton, Vitali B. Prakapenka, Maddury Somayazulu, Timothy A. Strobel. Solid-State Pathway Control via Reaction-Directing Heteroatoms: Ordered Pyridazine Nanothreads through Selective Cycloaddition. Journal of the American Chemical Society, 2022; 144 (5): 2073 DOI: 10.1021/jacs.1c12143

来源：carnegiescience.edu