Zespół profesora Karla Börjessona z Uniwersytetu w Göteborgu (Szwecja) od dawna interesował się tworzeniem materiałów porowatych niezawierających jonów metali. W takich strukturach cząsteczki węglowe łączą się ze sobą, tworząc tzw. COF (ang. Covalent Organic Frameworks).

Obecne osiągnięcia naukowców z Goteborga opierają się na dokonaniach noblistów z roku 2025 (Richard Robson, Susumu Kitagawa i Omar Yaghi). Nagrodę w dziedzinie chemii przyznano im za opracowanie struktur metaloorganicznych (MOF, metal-organic frameworks). Te niezwykle porowate materiały składają się z jonów metalu działających jak „narożniki”, połączonych z cząsteczkami organicznymi. Wielka liczba MOF łączy się w przestrzenną sieć, w której przeważa pusta przestrzeń – jeden gram takiego materiału może mieć powierzchnię boiska piłkarskiego. MOF pozwalają magazynować gazy, takie jak wodór czy metan, wychwytywać z powietrza dwutlenek węgla czy parę wodną (to ostatnie nawet na pustyni).

Naukowcom z Uniwersytetu w Göteborgu we współpracy z Uniwersytetem Sztokholmskim oraz Uniwersytetem Technicznym Chalmersa udało się stworzyć materiał węglowy o strukturze trójwymiarowej, który można określić mianem porowatego diamentu (ang. diamondiyne - diamentyn). Dzięki połączeniu atomów węgla wiązaniami potrójnymi po raz pierwszy na świecie uzyskali nową odmianę alotropową węgla.

Odmiana alotropowa to substancja chemiczna zbudowana z atomów tylko jednego pierwiastka. Przykładami odmian alotropowych węgla są diament i grafit. Diamondiyne to czworościenna odmiana alotropowa węgla, opisana teoretycznie po raz pierwszy 35 lat temu. Przez długi czas znane fizyczne odmiany alotropowe węgla ograniczały się do diamentu, grafitu oraz trzech odmian wytwarzanych sztucznie: fulerenów, nanorurek węglowych i grafenu. W ostatnich latach opracowano wiele nowych odmian alotropowych, jednak nigdy wcześniej nie uzyskano takiej o strukturze trójwymiarowej.

Diamondiyne powstaje przy użyciu stosunkowo niedrogiego sprzętu; tworzy się w postaci cienkiej warstwy na styku dwóch cieczy. Krystalizuje w taki sposób, że atomy węgla układają się w czworościany połączone wierzchołkami we wszystkich trzech wymiarach.

Między czworościanami tworzą się puste przestrzenie. Dlatego tę odmianę alotropową węgla można porównać do porowatego diamentu. Jednak w przeciwieństwie do diamentu nie trzeba stosować wysokiego ciśnienia, aby atomy węgla mogły się ze sobą połączyć.

Strukturę krystaliczną potwierdzono za pomocą mikroskopii elektronowej, choć udało się ją zaobserwować jedynie w wybranych miejscach na powierzchni warstwy materiału. Istnieje wiele czynników, które mogą zakłócić proces i uniemożliwić atomom węgla utworzenie diamondiyne.

„Udało nam się wytworzyć powtarzalne struktury w objętości o wymiarach 10 nanometrów (10 × 10⁻⁹ metra) z każdej strony, a uzyskane obrazy tych struktur dobrze pokrywają się z modelami teoretycznymi” – powiedział prof. Karl Börjesson.

„Teraz zajmiemy się badaniem właściwości diamentynu oraz możliwości jego zastosowania. Interesującą cechą jego porowatej struktury jest to, że różne struktury diamentynu mogłyby potencjalnie przenikać się nawzajem, wypełniając swoje puste przestrzenie” – wyjaśnił Börjesson.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ zan/