Structure de la chimie du Corbin. Le carbyne est une nouvelle forme de carbone, supérieure en résistance au graphène et aux nanotubes de carbone

Propriétés

La carbyne est une poudre noire finement cristalline (densité 1,9÷2 g/cm³) et possède des propriétés semi-conductrices. Obtenu dans des conditions artificielles à partir de longues chaînes d'atomes de carbone disposées parallèlement les unes aux autres. Le carbyne est un polymère linéaire de carbone. Dans la molécule de carbyne, les atomes de carbone sont reliés en chaînes alternativement soit par des liaisons triples et simples (structure polyine), soit en permanence par des doubles liaisons (structure polycumulène). Cette substance a été obtenue pour la première fois par les chimistes soviétiques V.V. Korshak, A.M. Sladkov, V.I. Kasatotchkin et Yu.P. Kudryavtsev au début des années 60. à l'Académie des sciences de l'URSS (INEOS). Le carbyne a des propriétés semi-conductrices et sa conductivité augmente considérablement lorsqu'il est exposé à la lumière. La première application pratique repose sur cette propriété : dans les cellules photovoltaïques.

Contexte de l'ouverture

La question de la possibilité de l'existence de formes de carbone avec hybridation sp d'atomes a été envisagée à plusieurs reprises sur le plan théorique. En 1885, le chimiste allemand Adolf Bayer a tenté de synthétiser le carbone en chaîne à partir de dérivés de l'acétylène en utilisant une méthode par étapes. Toutefois, la tentative de Bayer d'obtenir polyine(un composé contenant au moins trois liaisons C≡C isolées ou conjuguées dans une molécule) s'est avéré inefficace : il a reçu un hydrocarbure constitué de quatre molécules d'acétylène reliées par une chaîne, qui s'est avérée extrêmement instable. L'instabilité des polyines inférieures a servi de base à Bayer pour créer la théorie des contraintes, dans laquelle il postulait l'impossibilité d'obtenir du carbone en chaîne. L'autorité du scientifique a refroidi l'intérêt des chercheurs pour la synthèse des polyines et les travaux dans ce sens ont cessé pendant longtemps.

La forme unidimensionnelle (linéaire) du carbone est longtemps restée le chaînon manquant de l’allotropie du carbone. La découverte de représentants de la série des polyacétylènes dans la nature dans les années 1930 a été un facteur important pour la reprise des travaux dans ce domaine. Dans certaines plantes et champignons inférieurs, des composés polyines contenant jusqu'à cinq groupes acétylène conjugués ont été découverts. L'un des premiers à avoir décidé de contester l'autorité de leurs prédécesseurs a été le chef du laboratoire des composés macromoléculaires d'INEOS, Vasily Vladimirovich Korshak et Alexey Mikhailovich Sladkov. Leurs travaux ont conduit à la découverte d’une nouvelle forme allotropique linéaire du carbone.

En 1959-1960, des études systématiques de la réaction de couplage oxydatif des composés diacétyléniques ont été réalisées dans le laboratoire des composés macromoléculaires d'INEOS, dirigé par l'académicien Korshak. Il a été constaté qu'en présence de sels de cuivre divalents, cette réaction peut être effectuée avec n'importe quel composé diacétylène pour former des polymères dont l'unité élémentaire conserve le squelette carboné du diacétylène d'origine. Dans ce cas, des polyacétyléniures de Cu(I) polymères sont d'abord formés. Cette variante de la réaction de couplage oxydante a été appelée déshydropolycondensation oxydative. Les scientifiques ont suggéré que l’acétylène puisse être utilisé comme monomère pour une telle polycondensation. En effet, lorsque l’acétylène était passé dans une solution aqueuse d’ammoniaque de sel de Cu(II), un précipité noir se formait rapidement. C'est ce chemin qui a conduit A.M. Sladkov, V.V. Korshak, V.I. Kasatochkin et Yu.P. Kudryavtsev à la découverte de la forme linéaire du carbone, qu'ils, à la suggestion de Sladkov, ont appelé « carabine».

Selon les découvreurs du carbyne, le plus difficile pour eux était de déterminer par quelles liaisons les atomes de carbone étaient reliés dans une chaîne. Il peut s'agir de liaisons simples et triples alternées (–С≡С–С≡С–), uniquement de doubles liaisons (=С=С=С=С=), ou les deux à la fois. Quelques années plus tard seulement, il fut possible de prouver qu'il n'y avait pas de doubles liaisons dans le carbyne obtenu. La structure polyyne des chaînes a été confirmée par la formation d'acide oxalique lors de l'ozonation du carbyne.

Cependant, la théorie a permis l'existence d'un polymère carboné linéaire avec uniquement des doubles liaisons, qui a été obtenu en 1968 par l'étudiant diplômé de Sladkov, V.P. Nepochatykh : la contre-synthèse (par réduction du polymère glycol) a conduit à la formation d'un polymère carboné linéaire avec des liaisons cumulènes. , qui s'appelait polycumulène. La preuve de la présence de doubles liaisons dans la substance résultante était le fait que lorsque le polycumulène est ozonisé, seul du dioxyde de carbone est obtenu.

Ainsi, deux formes de carbone linéaire ont été obtenues : la polyine (–C≡C–) n, ou α-carbine, et le polycumulène (=C=C=) n, ou β-carbine. Les auteurs de la découverte ont mené une étude détaillée de la structure du carbyne à l'aide de diverses méthodes et ont étudié ses propriétés thermodynamiques et électrophysiques.

Structure sur carabine

Selon certains chercheurs, aucune preuve claire et rigoureuse de l'individualité du carbyne et de sa structure n'a encore été obtenue, tandis que d'autres auteurs estiment au contraire que de telles preuves existent. La discussion sur l'existence du carbyne est en grande partie due au fait que son diagnostic présente un certain nombre de difficultés techniques, car lors de l'utilisation de méthodes à haute énergie, la transition du carbyne vers d'autres formes de carbone est possible. De plus, les idées sur la structure du carbyne sont depuis longtemps imparfaites. Les auteurs de la découverte du carbyne ont proposé un modèle de sa structure cristalline sous la forme d'un ensemble de chaînes de type cumulène ou polyyne, compactées en cristaux grâce aux forces de van der Waals. Les chaînes ont été supposées droites, puisque chaque atome de carbone est dans un état d’hybridation sp.

En effet, il est désormais établi que la structure du carbyne est formée d'atomes de carbone assemblés en chaînes à doubles liaisons (β-carbyne) ou alternées de liaisons simples et triples (α-carbyne). Les chaînes polymères ont des extrémités réactives (c'est-à-dire qu'elles portent une charge négative localisée) et se courbent avec des lacunes de chaîne, aux endroits où les chaînes sont connectées les unes aux autres en raison des orbitales π qui se chevauchent des atomes de carbone. La présence d'impuretés métalliques telles que le fer et le potassium est importante pour la formation de réticulations. Des preuves convaincantes de la présence de zigzags dans une chaîne carbonée linéaire ont été obtenues dans les travaux théoriques de Korshak : les résultats de son calcul sont en bon accord avec le spectre IR du carbyne.

Sur la base des résultats d'études plus approfondies sur la structure du carbyne cristallin, un modèle de sa cellule unitaire a été proposé. Selon ce modèle, la cellule unitaire du carbyne est composée de chaînes de carbone parallèles avec des zigzags, grâce auxquelles la cellule s'avère être à deux couches. L'épaisseur d'une couche est une chaîne de six atomes de carbone. Dans la couche inférieure, les chaînes sont densément compactées et situées au centre et aux coins de l'hexagone, tandis que dans la couche supérieure, il n'y a pas de chaîne centrale et des atomes d'impuretés peuvent être localisés dans la lacune résultante. Il est possible qu'ils soient des catalyseurs de cristallisation du carbyne. Ce modèle fournit la clé pour découvrir le phénomène carbyne et explique dans quelle configuration un ensemble généralement instable de chaînes carbonées linéaires peut être stabilisé.

voir également

Liens

• *V.I. Saranchuk, V. V. Oshovsky, G. O. Vlasov. Chimie et physique des copalins inflammables. - Donetsk : Maison Vidavnichy similaire, 2003. −204 p.
• Carbone d'Alexey Sladkov - l'histoire de la découverte de la carabine
• Sladkov A. M., Kudryavtsev Yu. P. Diamant, graphite, carabine - formes allotropiques de carbone // Nature. 1969. N° 5. P.37-44.

Remarques

Fondation Wikimédia. 2010.

Synonymes:

Carbine

Carbyne retirera au graphène le titre de matériau le plus durable si et dès qu’ils apprendront à le produire en quantités importantes. C'est ce qu'indique un article du physicien théoricien Boris Yakobson et de ses collègues publié cette semaine.

Il n’y a pas si longtemps, le graphène faisait toute l’actualité, devenant le matériau le plus durable. Le prix Nobel a été décerné en 2010 pour des expériences sur le graphène. Mais les scientifiques ont peut-être synthétisé un nouveau matériau le plus résistant appelé carbyne.

Les propriétés du carbyne sont devenues connues cet été. Ce matériau est une chaîne d'atomes de carbone reliés soit par des doubles liaisons en série, soit par une alternance de liaisons triples et simples. D’une certaine manière, cela fait du carbyne un matériau unidimensionnel, par opposition au graphène bidimensionnel ou aux nanotubes de carbone creux tridimensionnels.

Le nouveau document indique que s'il est produit en quantités suffisantes, il sera possible de tirer parti de certaines des propriétés uniques du carbyne. En particulier, des calculs ont montré que la résistance à la traction du nouveau matériau peut être deux fois supérieure à celle du graphène. De plus, il est deux fois plus dur que le graphène et trois fois plus dur que le diamant. De plus, le carbyne possède des propriétés semi-conductrices prononcées et peut servir de matériau pour les dispositifs de stockage d'énergie.

Mais peu de gens se souviennent déjà que Carbin s'appelle aussi CARBON BY ALEXEY SLADKOV.

En 1960, la carabine a été synthétisée par le chimiste soviétique A.M. Sladkov 1922-1982 dans les murs de l'Institut des composés organo-éléments de Moscou et nommé par lui carabine. Il ne savait pas que, possédant des propriétés uniques, cette substance créée artificiellement suscitait l'intérêt du monde entier et que son utilisation pratique commençait dans divers domaines de l'activité humaine, par exemple en médecine et en électronique. En 1968, les scientifiques américains A. El Goresi et G. Donnay, étudiant des échantillons d'un cratère de météorite (Allemagne, Bavière), les déminéralisent en les traitant avec divers acides. Dans le concentré insoluble, il s'agissait de graphite. Les scientifiques y ont découvert des inclusions d'une substance inconnue de couleur blanc argenté - le carbone. Les propriétés optiques de la substance n'étaient absolument pas similaires aux propriétés du diamant naturel ou de sa modification cristalline obtenue artificiellement - la lonsdalite. La substance découverte s’est avérée être une nouvelle forme allotropique de carbone (« carbone blanc »), ce qui a été confirmé par son étude par diffraction des rayons X. Les scientifiques ont conclu que cette forme d'ugred s'était formée à partir de graphite à la suite de la chute d'une météorite sous l'influence d'une température et d'une pression élevées.

Le plus paradoxal dans cette histoire est que l'existence de la carabine, qui dans le laboratoire d'A.M. Sladkov pouvait être vu, touché et des expériences étaient menées avec lui ; jusqu'à sa découverte dans la nature, elle n'était pas officiellement reconnue. Plus précisément, ils ont été prudents quant à sa reconnaissance, confirmant ainsi une fois de plus à quel point les manifestations conservatrices sont fortes dans la science et combien il est difficile de prouver la fausseté des déclarations des autorités reconnues. L'un des premiers à avoir décidé de contester l'autorité de ses prédécesseurs fut le talentueux scientifique russe Alexei Mikhailovich Sladkov. Les travaux qu'il a menés à l'Institut des composés organo-éléments, qui se distinguaient, selon les employés de son laboratoire I. Golding et N. Vasneva, par « une subtilité et une clarté de conception étonnantes » - la polycondensation oxydative de l'acétylène - ont conduit à la découverte d'une nouvelle forme allotropique linéaire du carbone.

Fils d'un célèbre chimiste russe réprimé dans les années trente, professeur à l'Institut de technologie chimique de Moscou. DI. Mendeleev, directeur scientifique du plus grand Institut des produits alimentaires et colorants (NIOPIK), A.M. Sladkov n'a pas trouvé de reconnaissance à cette époque. Il évitait par tous les moyens les affaires publiques et n'était pas dans les rangs du PCUS à cause de son père réprimé.

Le certificat d'auteur pour la méthode de production de carbyne par le Comité des inventions et des découvertes du Conseil des ministres de l'URSS n'a été enregistré comme découverte avec priorité de 1960 que le 7 décembre 1971. Ceux. onze ans après une série d'expériences réussies. Il aura fallu onze ans d'attente pour briser la méfiance à l'égard d'une découverte que réfute les autorités mondiales. Après avoir obtenu le carbyne, A.M. Sladkov est venu à l'idée de la multiplicité des formes carbynes du carbone, de l'existence d'un grand nombre de polymères carbonés basiques. Des recherches ultérieures menées par des scientifiques ont confirmé cette hypothèse. Il existe souvent dans la littérature scientifique des publications revendiquant la synthèse d'une nouvelle forme cristalline ou une modification allotropique du carbone.

À l’appui de cette hypothèse, en 1985, par exemple, il y a eu la découverte d’une grande famille de molécules de carbone sphériques appelées fullerènes. Cette découverte a donné un nouvel élan aux recherches à travers le monde dans le domaine du carbone et de ses allotropes. Les auteurs de la découverte suivante - un groupe de scientifiques américains - ont reçu le prix Nobel en 1996. Tout cela ne signifie-t-il pas qu'en tant que découvreur de ces nouvelles formes de molécules de carbone, le scientifique russe a toutes les raisons de revendiquer et, en outre, de recevoir un prix Nobel pour sa découverte exceptionnelle du CARBINE !?

À l'heure actuelle, l'obtention du carbyne reste une tâche extrêmement difficile, c'est pourquoi les scientifiques ne mènent pas encore d'expériences avec la substance réelle, mais recourent à la modélisation de la mécanique quantique sur des superordinateurs. "Dans les travaux précédents... l'attention s'est concentrée sur certaines de ses caractéristiques individuelles, mais nous avons décidé de le caractériser sous tous les angles à la fois, c'est-à-dire de créer un modèle mécanique complet du matériau", explique Artyukhov.

Les résultats d'une telle modélisation ont montré que le carbyne possède une rigidité particulièrement élevée : sa résistance spécifique par kilogramme de masse est de 1 million de kilonewtons par mètre. C'est deux fois la résistance des nanotubes et du graphène (0,45 million de kilonewtons) et presque trois fois celle du diamant (0,35 million de kilonewtons). "Nous avons découvert plusieurs autres phénomènes intéressants, par exemple que la rigidité en torsion du carbyne peut être "activée" en attachant certains groupes fonctionnels aux extrémités", a déclaré l'interlocuteur de l'agence.

De plus, Jacobson et ses collègues ont pu prouver que lorsqu'un fil de carbyne est étiré, ses propriétés électriques changent radicalement - il se « transforme » de la forme de cumulène (qui est un conducteur) à la forme de polyine (un diélectrique), c'est-à-dire qu'en étirant le fil de carbyne, vous pouvez désactiver et activer la conductivité.

Pas un ascenseur spatial, mais de l'électronique

Actuellement, les technologies de production de carbyne sont extrêmement complexes. Le fil de carbyne le plus long – 6 nanomètres – a été obtenu en 2010 par des scientifiques canadiens. Par conséquent, selon Artyukhov, le carbyne peut être utilisé comme composant de divers nanosystèmes complexes. «Il pourrait servir de ‘nanocâble’ ou de ‘nanorod’ (selon la longueur), ainsi que de ‘câble’ conducteur ou semi-conducteur», explique le scientifique.

Malgré sa résistance mécanique unique, il est peu probable que le carbyne soit utilisé pour créer des câbles macroscopiques ultra-résistants, par exemple pour les « ascenseurs spatiaux ».

« Le fait est que la résistance d'un matériau est toujours déterminée non pas par le « maillon » le plus fort, mais au contraire par le « maillon » le plus faible. Dans les fibres de carbone, ce sont des connexions entre feuilles de graphite ; dans les composites à nanotubes, ce sont des contacts entre le nanotube et la matrice. Et peu importe à quel point vous améliorez les propriétés des éléments de renforcement du système, leur résistance restera constante s'ils sont mal connectés les uns aux autres », explique Artyukhov.

Découvertes scientifiques dans l'étude des propriétés du carbone.

Découverte scientifique "Une nouvelle forme cristalline de carbone - le carbyne."

Formule d'ouverture :"Le phénomène jusqu'alors inconnu de l'existence d'une nouvelle forme cristalline de carbone - le carbyne, caractérisé, contrairement au diamant et au graphite, par une structure en chaîne (linéaire) de macromolécules de carbone a été établi expérimentalement."
Auteurs: V. I. Kasatochkin, A. M. Sladkov, Yu. P. Kudryavtsev, V. V. Korshak.
Numéro et date de priorité : N° 107 du 4 novembre 1960

Description de la découverte.
Le carbone est un élément unique. Il forme d'innombrables composés et constitue un excellent carburant et matière première pour la production d'une grande variété de matériaux et de produits à partir de ceux-ci. En raison de sa structure, il forme un grand nombre de composés avec l'hydrogène seul, et le nombre total de toutes sortes de composés chimiques contenant du carbone, y compris dans les cellules des êtres vivants, dépasse les deux millions.

Il n'a pas été possible de trouver immédiatement des indices sur le comportement du carbone, qui possède certaines structures de chaînes atomiques. Cela a été précédé par des décennies de recherche scientifique. Pendant longtemps, seules deux formes cristallines de carbone étaient connues : le diamant et le graphite, qui ont des propriétés complètement différentes. Le diamant, la substance la plus dure connue sur Terre, est transparent et possède les propriétés caractéristiques d'un isolant électrique. Le graphite est très doux, opaque et conduit bien le courant.

Docteur en sciences chimiques V. I. Kasatotchkin de l'Institut des combustibles fossiles, en collaboration avec des scientifiques de l'Institut des composés organo-éléments, docteur en sciences chimiques A. M. Sladkov, candidat en sciences chimiques Yu. P. Kudryavtsev et membre correspondant de l'Académie des sciences de l'URSS V. V. Korshak , a découvert le phénomène de l'existence d'une nouvelle forme cristalline de carbone appelée carbyne. Il a été obtenu à partir d'acétylène. La troisième forme de carbone cristallin possède des propriétés semi-conductrices et une photoconductivité.

La carbyne a également été trouvée sous sa forme naturelle. Récemment, du carbone cristallin de structure proche du carbyne a été découvert dans le cratère de Ries (Bavière), formé à la suite d'une chute de météorite. Le même carbone a été découvert par des scientifiques de l'Institut de géochimie de l'Académie des sciences de l'URSS dans la météorite New Uraeus. Ces faits indiquent que la carbyne est très stable et se forme dans des conditions naturelles spécifiques. L'étude de ces conditions contribuera au développement de la cosmochimie. Les différences marquées dans la structure et les propriétés des trois formes de carbone cristallin : diamant, graphite et carbyne sont associées aux trois variétés possibles de structure électronique hybride des atomes de carbone et, par conséquent, à des différences dans les types de liaisons interatomiques.

Selon la théorie des formes transitionnelles du carbone, la combinaison de variétés hybrides inégales d'atomes dans une structure polymère unique donne naissance à de nombreuses formes amorphes de cette substance. Le verre de carbone est un exemple typique de carbone amorphe, qui combine les trois types d'atomes hybrides avec trois types de liaisons : le diamant, le graphite et le carbyne. Le nombre de combinaisons d’atomes hybrides dans différents rapports est très important. C’est pourquoi de nouveaux matériaux carbonés aux propriétés diverses apparaissent désormais. La base de ces matériaux est le carbone amorphe.

L’attention portée à ces matériaux étonnants dans le monde augmente chaque année. De grands centres scientifiques spécialisés se créent. La recherche de nouveaux matériaux carbonés est en cours. Une légèreté extraordinaire, combinée à une résistance à la chaleur, à une résistance aux environnements chimiques agressifs et à l'incapacité de magnétiser, permettra sans aucun doute à ces substances de prendre dans un avenir proche une position de leader parmi d'autres matériaux structurels dans des domaines scientifiques progressistes.

Carbyne retirera au graphène le titre de matériau le plus durable si et dès qu’ils apprendront à le produire en quantités importantes. C'est ce qu'indique un article du physicien théoricien Boris Yakobson et de ses collègues publié cette semaine.

Il n’y a pas si longtemps, le graphène faisait toute l’actualité, devenant le matériau le plus durable. Le prix Nobel a été décerné en 2010 pour des expériences sur le graphène. Mais les scientifiques ont peut-être synthétisé un nouveau matériau le plus résistant appelé carbyne.

Les propriétés du carbyne sont devenues connues cet été. Ce matériau est une chaîne d'atomes de carbone reliés soit par des doubles liaisons en série, soit par une alternance de liaisons triples et simples. D’une certaine manière, cela fait du carbyne un matériau unidimensionnel, par opposition au graphène bidimensionnel ou aux nanotubes de carbone creux tridimensionnels.

Le nouveau document indique que s'il est produit en quantités suffisantes, il sera possible de tirer parti de certaines des propriétés uniques du carbyne. En particulier, des calculs ont montré que la résistance à la traction du nouveau matériau peut être deux fois supérieure à celle du graphène. De plus, il est deux fois plus dur que le graphène et trois fois plus dur que le diamant. De plus, le carbyne possède des propriétés semi-conductrices prononcées et peut servir de matériau pour les dispositifs de stockage d'énergie.

Mais peu de gens se souviennent déjà que le carbyne est aussi appelé CARBONE D’ALEXEY SLADKOV.

En 1960, la carabine a été synthétisée par le chimiste soviétique A.M. Sladkov 1922-1982 dans les murs de l'Institut des composés organo-éléments de Moscou et nommé par lui carabine. Il ne savait pas que, possédant des propriétés uniques, cette substance créée artificiellement suscitait l'intérêt du monde entier et que son utilisation pratique commençait dans divers domaines de l'activité humaine, par exemple en médecine et en électronique. En 1968, les scientifiques américains A. El Goresi et G. Donnay, étudiant des échantillons d'un cratère de météorite (Allemagne, Bavière), les déminéralisent en les traitant avec divers acides. Dans le concentré insoluble, il s'agissait de graphite. Les scientifiques ont découvert des inclusions d'une substance inconnue de couleur blanc argenté : le carbone. Les propriétés optiques de la substance n'étaient absolument pas similaires aux propriétés du diamant naturel ou de sa modification cristalline obtenue artificiellement - la lonsdalite. La substance découverte s’est avérée être une nouvelle forme allotropique de carbone (« carbone blanc »), ce qui a été confirmé par son étude par diffraction des rayons X. Les scientifiques ont conclu que cette forme d'ugred s'était formée à partir de graphite à la suite de la chute d'une météorite sous l'influence d'une température et d'une pression élevées.

Le plus paradoxal dans cette histoire est que l'existence de la carabine, qui dans le laboratoire d'A.M. Sladkov pouvait être vu, touché et des expériences étaient menées avec lui ; jusqu'à sa découverte dans la nature, elle n'était pas officiellement reconnue. Plus précisément, ils ont été prudents quant à sa reconnaissance, confirmant ainsi une fois de plus à quel point les manifestations conservatrices sont fortes dans la science et combien il est difficile de prouver la fausseté des déclarations des autorités reconnues. L'un des premiers à avoir décidé de contester l'autorité de ses prédécesseurs fut le talentueux scientifique russe Alexei Mikhailovich Sladkov. Les travaux qu'il a menés à l'Institut des composés organo-éléments, qui se distinguaient, selon les employés de son laboratoire I. Golding et N. Vasneva, par « une subtilité et une clarté de conception étonnantes » - la polycondensation oxydative de l'acétylène - ont conduit à la découverte d'une nouvelle forme allotropique linéaire du carbone.

Fils d'un célèbre chimiste russe réprimé dans les années trente, professeur à l'Institut de technologie chimique de Moscou. DI. Mendeleev, directeur scientifique du plus grand Institut des produits alimentaires et colorants (NIOPIK), A.M. Sladkov n'a pas trouvé de reconnaissance à cette époque. Il évitait par tous les moyens les affaires publiques et n'était pas dans les rangs du PCUS à cause de son père réprimé.

Le certificat d'auteur pour la méthode de production de carbyne par le Comité des inventions et des découvertes du Conseil des ministres de l'URSS n'a été enregistré comme découverte avec priorité de 1960 que le 7 décembre 1971. Ceux. onze ans après une série d'expériences réussies. Il aura fallu onze ans d'attente pour briser la méfiance à l'égard d'une découverte que réfute les autorités mondiales. Après avoir obtenu le carbyne, A.M. Sladkov est venu à l'idée de la multiplicité des formes carbynes du carbone, de l'existence d'un grand nombre de polymères carbonés basiques. Des recherches ultérieures menées par des scientifiques ont confirmé cette hypothèse. Il existe souvent dans la littérature scientifique des publications revendiquant la synthèse d'une nouvelle forme cristalline ou une modification allotropique du carbone.

À l’appui de cette hypothèse, en 1985, par exemple, il y a eu la découverte d’une grande famille de molécules de carbone sphériques appelées fullerènes. Cette découverte a donné un nouvel élan aux recherches à travers le monde dans le domaine du carbone et de ses allotropes. Les auteurs de la découverte suivante, un groupe de scientifiques américains, ont reçu le prix Nobel en 1996. Tout cela ne signifie-t-il pas qu'en tant que découvreur de ces nouvelles formes de molécules de carbone, le scientifique russe a toutes les raisons de revendiquer et, en outre, de recevoir un prix Nobel pour sa découverte exceptionnelle du CARBINE !?

À l'heure actuelle, l'obtention du carbyne reste une tâche extrêmement difficile, c'est pourquoi les scientifiques ne mènent pas encore d'expériences avec la substance réelle, mais recourent à la modélisation de la mécanique quantique sur des superordinateurs. "Dans les travaux précédents... l'attention s'est concentrée sur certaines de ses caractéristiques individuelles, mais nous avons décidé de le caractériser sous tous les angles à la fois, c'est-à-dire de créer un modèle mécanique complet du matériau", explique Artyukhov.

Les résultats d'une telle modélisation ont montré que le carbyne possède une rigidité particulièrement élevée : sa résistance spécifique par kilogramme de masse est de 1 million de kilonewtons par mètre. C'est deux fois la résistance des nanotubes et du graphène (0,45 million de kilonewtons) et presque trois fois celle du diamant - 0,35 million de kilonewtons). "Nous avons découvert plusieurs autres phénomènes intéressants, par exemple que la rigidité en torsion du carbyne peut être "activée" en attachant certains groupes fonctionnels aux extrémités", a déclaré l'interlocuteur de l'agence.

De plus, Jacobson et ses collègues ont pu prouver que lors de l'étirement d'un fil de carbyne, ses propriétés électriques changent radicalement - il se « transforme » de la forme de cumulène (qui est un conducteur) à la forme de polyine (un diélectrique), c'est-à-dire c'est-à-dire qu'en étirant le fil de carbyne, vous pouvez désactiver et activer la conductivité.

Pas un ascenseur spatial, mais de l'électronique

Actuellement, les technologies de production de carbyne sont extrêmement complexes. Le fil de carbyne le plus long - 6 nanomètres - a été obtenu en 2010 par des scientifiques canadiens. Par conséquent, selon Artyukhov, le carbyne peut être utilisé comme composant de divers nanosystèmes complexes. "Il pourrait servir de 'nanocâble' ou de 'nanorod' (selon la longueur), ainsi que de 'câble' conducteur ou semi-conducteur", explique le scientifique.

Malgré sa résistance mécanique unique, il est peu probable que le carbyne soit utilisé pour créer des câbles macroscopiques ultra-résistants, par exemple pour les « ascenseurs spatiaux ».

« Le fait est que la résistance d'un matériau est toujours déterminée non pas par le « maillon » le plus fort, mais au contraire par le « maillon » le plus faible. Dans les fibres de carbone, ce sont des connexions entre feuilles de graphite ; dans les composites à nanotubes, ce sont des contacts entre le nanotube et la matrice. Et peu importe à quel point vous améliorez les propriétés des éléments de renforcement du système, leur résistance restera constante s'ils sont mal connectés les uns aux autres », explique Artyukhov.

Mais le carbyne peut être utile en électronique : en fonction de la tension, sa conductivité et son spectre d'absorption optique changent radicalement. « Grâce à la tension, vous pouvez contrôler à quelle longueur d'onde de la lumière le matériau est le plus sensible. C’est une propriété très utile pour les applications optoélectroniques, notamment dans les télécommunications », a noté le scientifique.

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La question de la possibilité de l'existence de formes de carbone avec hybridation sp d'atomes a été envisagée à plusieurs reprises sur le plan théorique. En 1885, le chimiste allemand Adolf Bayer a tenté de synthétiser le carbone en chaîne à partir de dérivés de l'acétylène en utilisant une méthode par étapes. Toutefois, la tentative de Bayer d'obtenir polyine(un composé contenant au moins trois liaisons C≡C isolées ou conjuguées dans une molécule) n'a pas abouti : il a reçu un hydrocarbure constitué de quatre molécules d'acétylène reliées en chaîne, qui s'est avéré extrêmement instable. L'instabilité des polyines inférieures a servi de base à Bayer pour créer la théorie des contraintes, dans laquelle il postulait l'impossibilité d'obtenir du carbone en chaîne. L'autorité du scientifique a refroidi l'intérêt des chercheurs pour la synthèse des polyines et les travaux dans ce sens ont cessé pendant longtemps.

La forme unidimensionnelle (linéaire) du carbone est longtemps restée le chaînon manquant de l’allotropie du carbone. La découverte de représentants de la série des polyacétylènes dans la nature dans les années 1930 a été un facteur important pour la reprise des travaux dans ce domaine. Dans certaines plantes et champignons inférieurs, des composés polyines contenant jusqu'à cinq groupes acétylène conjugués ont été découverts. Les chimistes du laboratoire de composés macromoléculaires INEOS, Alexeï Mikhaïlovitch Sladkov, Yuri Pavlovich Kudryavtsev, ont été parmi les premiers à avoir décidé de contester l'autorité de leurs prédécesseurs. Leurs travaux ont conduit à la découverte d’une nouvelle forme allotropique linéaire du carbone.

En 1959-1960, des études systématiques de la réaction de couplage oxydatif des composés diacétyléniques ont été réalisées dans le laboratoire des composés macromoléculaires d'INEOS, dirigé par l'académicien Korshak. Il a été constaté qu'en présence de sels de cuivre divalents, cette réaction peut être effectuée avec n'importe quel composé diacétylène pour former des polymères dont l'unité élémentaire conserve le squelette carboné du diacétylène d'origine. Dans ce cas, des polyacétyléniures de Cu(I) polymères sont d'abord formés. Cette variante de la réaction de couplage oxydante a été appelée déshydropolycondensation oxydative. Les scientifiques ont suggéré que l’acétylène puisse être utilisé comme monomère pour une telle polycondensation. En effet, lorsque l’acétylène était passé dans une solution aqueuse d’ammoniaque de sel de Cu(II), un précipité noir se formait rapidement. C'est ce chemin qui a conduit A.M. Sladkov, Yu.P. Kudryavtsev, V.V. Korshak et V.I. Kasatochkin à la découverte de la forme linéaire du carbone, appelée « carabine».

Selon les découvreurs du carbyne, le plus difficile pour eux était de déterminer par quelles liaisons les atomes de carbone étaient reliés dans une chaîne. Il peut s'agir de liaisons simples et triples alternées (–С≡С–С≡С–), uniquement de doubles liaisons (=С=С=С=С=), ou les deux à la fois. Quelques années plus tard seulement, il fut possible de prouver qu'il n'y avait pas de doubles liaisons dans le carbyne obtenu. La structure polyyne des chaînes a été confirmée par la formation d'acide oxalique lors de l'ozonation du carbyne.

Cependant, la théorie permettait l'existence d'un polymère carboné linéaire avec uniquement des doubles liaisons, qui a été obtenu en 1968 par V.P. Nepochatykh : la contre-synthèse (par réduction du polymère glycol) a conduit à la formation d'un polymère carboné linéaire avec des liaisons cumulènes, qui a été appelé polycumulène. La preuve de la présence de doubles liaisons dans la substance résultante était le fait que lorsque le polycumulène est ozonisé, seul du dioxyde de carbone est obtenu.

Ainsi, deux formes de carbone linéaire ont été obtenues : la polyine (–C≡C–) n, ou α-carbine, et le polycumulène (=C=C=) n, ou β-carbine. Les auteurs de la découverte ont mené une étude détaillée de la structure du carbyne à l'aide de diverses méthodes et ont étudié ses propriétés thermodynamiques et électrophysiques.

Il existe plusieurs rapports faisant état de découvertes de substances carbonées contenant des carabines faites par A.G. Whittaker dans le graphite de Ceylan et le graphite de divers États des États-Unis, V.I. Kasatochkin dans le diamant naturel, F.J. Reitinger dans le graphite du Sri Lanka, G.V. Vdovykin dans la météorite.

Les méthodes détaillées de production, les propriétés physiques et chimiques du carbyne et ses applications sont décrites dans un certain nombre d'ouvrages de Yu.P. Kudryavtsev, S.E. Evsyukov, M.B. Guseva, V.P. Babaev, T.G. Shumilova.

Selon certains chercheurs, aucune preuve claire et rigoureuse de l'individualité du carbyne et de sa structure n'a encore été obtenue, tandis que d'autres auteurs estiment au contraire que de telles preuves existent. La discussion sur l'existence du carbyne est en grande partie due au fait que son diagnostic présente un certain nombre de difficultés techniques, car lors de l'utilisation de méthodes à haute énergie, la transition du carbyne vers d'autres formes de carbone est possible. De plus, les idées sur la structure du carbyne sont depuis longtemps imparfaites. Les auteurs de la découverte du carbyne ont proposé un modèle de sa structure cristalline sous la forme d'un ensemble de chaînes de type cumulène ou polyyne, compactées en cristaux grâce aux forces de van der Waals. Les chaînes ont été supposées droites, puisque chaque atome de carbone est dans un état d’hybridation sp.

En effet, il est désormais établi que la structure du carbyne est formée d'atomes de carbone assemblés en chaînes à doubles liaisons (β-carbyne) ou alternées de liaisons simples et triples (α-carbyne). Les chaînes polymères ont des extrémités réactives (c'est-à-dire qu'elles portent une charge négative localisée) et se courbent avec des lacunes de chaîne, aux endroits où les chaînes sont connectées les unes aux autres en raison des orbitales π qui se chevauchent des atomes de carbone. La présence d'impuretés métalliques telles que le fer et le potassium est importante pour la formation de réticulations. Des preuves convaincantes de la présence de zigzags dans une chaîne carbonée linéaire ont été obtenues dans les travaux théoriques de Korshak : les résultats de son calcul sont en bon accord avec le spectre IR du carbyne.

Sur la base des résultats d'études plus approfondies sur la structure du carbyne cristallin, un modèle de sa cellule unitaire a été proposé. Selon ce modèle, la cellule unitaire du carbyne est composée de chaînes de carbone parallèles avec des zigzags, grâce auxquelles la cellule s'avère être à deux couches. L'épaisseur d'une couche est une chaîne de six atomes de carbone. Dans la couche inférieure, les chaînes sont densément compactées et situées au centre et aux coins de l'hexagone, tandis que dans la couche supérieure, il n'y a pas de chaîne centrale et des atomes d'impuretés peuvent être localisés dans la lacune résultante. Il est possible qu'ils soient des catalyseurs de cristallisation du carbyne. Ce modèle fournit la clé pour découvrir le phénomène carbyne et explique dans quelle configuration un ensemble généralement instable de chaînes carbonées linéaires peut être stabilisé.