Sciencemag.cz
Doporučujeme
Grafit/grafen a fullereny představují modifikace uhlíku s hybridizací sp2, kdy je každý atom uhlíku navázán na tři sousední. Grafen má přitom nulovou křivost, fullereny kladnou (kulovou), kdy se stáčejí dovnitř. Nemohla by existovat i forma uhlíku se zápornou křivostí, hyperbolickou, „rozbíhající se od sebe“?
Příslušné geometrie se probírají např. v kosmologických debatách o povaze vesmíru. Sférická (eliptická) geometrie umožňuje třeba celkem intuitivně pochopitelný model vesmíru, který je konečný a do sebe uzavřený, ale bez hranic (další analogie často zmiňovaná v této souvislosti: 2D hmyz lezoucí po kouli atd.). Hyperbolická geometrie je „sedlová“.
Nicméně zpět k uhlíku. Hyperbolická modifikace (alotrop) získal již název (schwarzit, schwarzite), nicméně dosud jde o materiál pouze teoretický. Výzkumníci se pokoušeli tento materiál připravit napařováním uhlíku do struktury póru zeolitů, ale schwarzit se tímto způsobem získat dosud nepodařilo. Vědci z jihokorejského Institute for Basic Science a čínské University of Science and Technology nyní v celém úsilí pokračovali.
Novou formu uhlíku se jim podařilo vytvořit z populárního fullerenu C60 (buckyball, „kopací míč“). Ten pomalu zahřívali spolu s nitridem lithia Li3N (modifikace alfa) za běžného tlaku. Nitrid lithia přitom prostřednictvím přenosu elektronů katalyzoval rozbíjení některých vazeb mezi atomy uhlíku v molekule C60 a naopak vytváření vazeb mezi sousedními molekulami.
Vědci takto vzniklý materiál pojmenovali jako porézní uhlík uspořádaný na velkou vzdálenost (long-range ordered porous carbon, LOPC). Materiál se skládá z rozbitých klecí fullerenu C60 navázaných na sousedy. Jednotky/klece mají různou podobu, periodicita funguje spíše na větší vzdálenosti (poznámka: nejspíš nějak přibližně). Takové uspořádání je každopádně dost nezvyklé.
Ke vzniku struktur LOPC dochází za úzkých rozmezí teplot a poměru uhlíku a Li3N. Dle provedených experimentů je potřeba zahřát směs na 550 °C s poměrem uhlíku a Li3N 5:1. Teplota pod 480 °C nebo nižší obsah Li3N ve směsi znamenají, že v molekulách C60 nedojde k rozpadu vazeb a místo toho se spojí a vytvoří krystalický polymer C60. Ten se při opětovném zahřátí rozpadne zpět na jednotlivé molekuly fullerenu. Příliš velké množství Li3N nebo teplota nad 600 °C zase vedou k úplnému rozpadu fullerenových „klecí“.
Právě proto, že jednotlivé klece v nově připravené formě uhlíku se liší, nebyla snadná ani analýza celé struktury. Autoři studie vedle sebe použili celou řadu technik. V průvodní tiskové zprávě ze uvádí rentgenová difrakce, Ramanova spektroskopie, transmisní elektronová mikroskopie s aberační korekcí, neutronový rozptyl a NMR spektroskopie v pevné fázi („magic-angle spinning solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy“). Závěr má znít, že LOPC je matestabilní struktura vznikající při přechodu mezi uhlíkem fullerenového a grafenového typu.
Schwarzit to tedy není, čili zde bude muset uspět někdo jiný. Nicméně i tak připravená forma slibuje uhlíkové materiály s novými vlastnostmi. Dále lze zkusit samozřejmě vyjít jiných fullerenů (C70, C76, C84…) nebo ze struktur, kdy je v příslušné kleci navíc uzavřen další prvek typu lanthanu. Vyvinutá metoda syntézy by měla být snadno škálovatelná, umožňující získávat produkt ve cca libovolném množství.
Yanwu Zhu, Long-range ordered porous carbons produced from C60, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05532-0. www.nature.com/articles/s41586-022-05532-0
Zdroj: Institute for Basic Science a další
Největší problém pro přípravu Schwarzitu asi bude to, že plocha s (konstatntní) zápornou křivostí se nedá nacpat do třírozměrného prostoru, potřebuje minimálně čtyři rozměry. Proto také koule je skutečně plocha s kladnou křivostí, zatímco ta sedla se uvádějí jen jako analogie plochy se zápornou křivostí.
https://en.wikipedia.org/wiki/Pseudosphere
u pseudosfery pisou, ze ma konstantni zapornou krivost a je to objekt 3d sveta.
Co si tak pamatuji z hodin matematiky, tak ta „Pseudosphere“ má konce protaženy do nekonečna, což by tedy mohlo značit, že její zobrazení ve 3D je trochu problematické.