比钻石还要硬硬40倍,有望被用来造宇宙飞船的新材料——碳炔

硬度是一种物理性质,它代表物质抵抗被划伤或变形的能力。硬度可以用不同的方法来测量,常见的有维氏硬度、摩氏硬度、布氏硬度等。其中,摩氏硬度是最简单也最常用的一种,它是根据不同物质之间能否互相划伤来排列出一个从1到10的等级,1代表最软,10代表最硬。例如,指甲的摩氏硬度是2.5,铁的摩氏硬度是4.5,钻石的摩氏硬度是10。

虽然钻石在自然界中是最硬的物质,但并不意味着它就是绝对的。碳炔比金刚石还硬,而世界上最硬的物质就是硫化碳炔,据说它的硬度几乎比我们熟悉的钢铁还要硬上200多倍,甚至是金刚石硬度的40倍左右,因此它也被称为世界第一硬,并且它的延展性和抗拉强度也非常高,甚至能够与石墨烯相媲美,所以这种材料在未来的高强度设备制作和研发上有着非常关键的用途。

碳炔是碳原子聚集在一起形成的链,这些碳原子通过双键或者交替的单键和三键连接在一起。1885 年,德国有机化学家阿道夫·冯-贝耶尔首次提出碳炔的概念,他将其描述为一种无限长的碳碳单键和三键交替而成的碳链。但他也警告称,由于其极不稳定,因此很难制造出来。此前,美国科学家经过理论计算指出,碳炔这种碳原子一维线性带状物的强度应该比任何已知的材料更硬更坚固,拥有巨大的抗张强度和硬度,硬度是钻石的40倍、石墨烯的两倍,因此,可用于制备超坚固的设备。另外,它还拥有仅被拉伸 3%就能从导体转变成绝缘体的独特属性,因而在电子设备领域广受关注。

由于纳米技术和光谱技术的进步,观察碳炔的突破出现在20世纪末和21世纪初,20世纪80年代,天文学家探测到星际空间中存在线性碳链,这些观察提供了类碳炔结构的间接证据,并为其探索开辟了新的途径。

在碳纳米管中间接观察到类碳炔链,它们沿着管壁形成缺陷或部分结构,这些链的发现为碳炔的结构特性提供了有价值的见解,石墨烯纳米带,石墨烯的窄条,被发现在其边缘表现出类碳炔结构。

2015年研究人员利用扫描隧道显微镜(STM)在银表面成功合成了线性碳链,这种技术允许对链条进行精确的操作和观察,近年来,碳炔纳米带已经使用定制的前体分子和表面辅助聚合来合成,这些纳米带代表了创造更长和更稳定的类碳炔结构的一步。

碳炔的发现和探索是一个充满理论预测、实验挑战和显著成功的旅程,正在进行的碳炔探索为推进材料科学、电子学、纳米技术和清洁能源应用带来了巨大的希望,随着研究人员继续揭开这种迷人的一维碳链的奥秘,未来可能会有更多令人兴奋的发现和碳炔的应用。

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