الماس متخلخل؛ پیوند سخت‌ترین ماده دنیا با ساختار انعطاف‌پذیر گرافن

الماس یکی از سخت‌ترین و پایدارترین مواد شناخته‌شده در طبیعت است، اما ساختار فشرده آن محدودیت‌هایی برای برخی کاربردهای پیشرفته ایجاد می‌کند. به تازگی، پژوهشگران موفق به ساخت نوع تازه‌ای از ساختار کربنی شده‌اند که می‌تواند مرز میان الماس و مواد کربنی پیشرفته را تغییر دهد.

ماده جدید که الماس متخلخل نام دارد، ساختاری شبیه الماس دارد، اما برخلاف الماس معمولی درون آن شبکه‌ای از حفره‌های بسیار ریز ایجاد شده است. این ویژگی به ماده جدید امکان می‌دهد در کنار سختی و پایداری بالای الماس، قابلیت‌هایی مانند ذخیره‌سازی مولکول‌ها و تعامل بیشتر با مواد دیگر را هم داشته باشد.

کربن یکی از متنوع‌ترین عناصر در طبیعت است و می‌تواند ساختارهای کاملاً متفاوتی ایجاد کند. الماس و گرافن دو نمونه شناخته‌شده از مواد کربنی هستند که هرکدام ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند.

در الماس، اتم‌های کربن در شبکه سه‌بعدی بسیار فشرده‌ای قرار گرفته‌اند. همین ساختار باعث سختی فوق‌العاده، مقاومت شیمیایی بالا و رسانایی گرمایی زیاد آن می‌شود. در مقابل، گرافن از یک لایه‌ی دوبعدی از اتم‌های کربن تشکیل شده و به دلیل استحکام بالا، وزن کم و ویژگی‌های الکتریکی خاص، توجه زیادی را در فناوری‌های مختلف به خود جلب کرده است.

پژوهشگران سال‌ها به دنبال ساخت موادی بوده‌اند که بتوانند بخشی از ویژگی‌های این دو ماده را هم‌زمان داشته باشند. به‌گزارشآی‌اف‌ال‌ساینستیمی از پژوهشگران دانشگاه گوتنبرگ و دانشگاه صنعتی چالمرز در سوئد توانسته‌اند ساختار جدیدی از کربن ایجاد کنند که از نظر آرایش اتمی به الماس شباهت دارد، اما مانند الماس معمولی کاملاً فشرده نیست.

در ماده جدید، اتم‌های کربن شبکه سه‌بعدی منظمی ایجاد می‌کنند، اما درون این شبکه کانال‌ها و فضاهای خالی بسیار کوچکی وجود دارد. همین تخلخل، خصوصیتی است که الماس طبیعی فاقد آن است.

وجود حفره‌های داخلی باعث می‌شود این ماده بتواند مولکول‌ها را در خود بگنجاند یا اجازه عبور آن‌ها را بدهد. این ویژگی در موادی که برای ذخیره‌سازی، جداسازی یا واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شوند، اهمیت زیادی دارد. برای مثال، چنین ساختارهایی می‌توانند در آینده برای ذخیره گازها، ساخت کاتالیزورهای شیمیایی، فناوری‌های انرژی و حسگرهای پیشرفته بررسی شوند.

در عین حال، حفظ ویژگی‌های الماس مانند پایداری بالا و مقاومت مکانیکی می‌تواند این ماده را نسبت به بسیاری از مواد متخلخل معمولی متفاوت کند. پژوهشگران این ساختار را بخشی از نسل جدید مواد کربنی می‌دانند که تلاش می‌کنند ویژگی‌های چند ماده شناخته‌شده را در شبکه‌ای واحد ترکیب کنند.

الماس متخلخل هنوز در مرحله پژوهشی قرار دارد و مشخص نیست تولید آن در مقیاس صنعتی تا چه اندازه عملی خواهد بود. دانشمندان باید دوام، هزینه ساخت و عملکرد واقعی این ماده را در کاربردهای مختلف بررسی کنند. بااین‌حال، ساخت این ماده نشان می‌دهد خانواده کربن همچنان ظرفیت ایجاد ساختارهای کاملاً جدیدی را دارد که ممکن است ویژگی‌هایی فراتر از مواد کربنی شناخته‌شده امروزی داشته باشند.

پژوهش در ژورنالPNASمنتشر شده است.