צורה חדשה של פחמן: “ננו-גרפן” מפותל

החומר החדש מורכב ממספר פיסות זהות של גרפן המפותל באופן גס, כאשר כל אחת מפיסות אלו מכילה 80 אטומי פחמן בדיוק המחוברים יחדיו ברשת של 26 טבעות, יחד עם 30 אטומי מימן “המעטרים” את שולי הטבעות. מאחר והקוטר של המולקולות הפרטניות הוא קצת מעל ננומטר אחד, מתייחסים אליהן בתור “ננו-פחמנים” או באופן מדויק יותר “ננו-גרפנים המפותלים באופן גס”.

בגרסה המקוונת של כתב-העת המדעי Nature Chemistry דיווחו כימאים מהקולג’ של בוסטון ומאוניברסיטתNagoya ביפן כי הם הצליחו לסנתז את הדוגמה הראשונה של צורה חדשה של פחמן הכוללת מבנה של “ננו-גרפן” המפותל באופן לא מסודר.

החומר החדש מורכב ממספר פיסות זהות של גרפן המפותל באופן גס, כאשר כל אחת מפיסות אלו מכילה 80 אטומי פחמן בדיוק המחוברים יחדיו ברשת של 26 טבעות, יחד עם 30 אטומי מימן “המעטרים” את שולי הטבעות. מאחר והקוטר של המולקולות הפרטניות הוא קצת מעל ננומטר אחד, מתייחסים אליהן בתור “ננו-פחמנים” או באופן מדויק יותר “ננו-גרפנים המפותלים באופן גס”.

עד לאחרונה, גילו מדענים שתי צורות בלבד של פחמן טהור: יהלום וגרפיט. ואז בשנת 1985 כימאים נדהמו מהתגלית שאטומי פחמן יכולים להתחבר יחדיו גם לכדי יצירת כדורים חלולים, שלהם ניתן השם פולרנים. מאז ועד היום, המדענים גם למדו כיצד להכין שפופרות חלולות, ארוכות ודקיקות במיוחד מאטומי פחמן, שלהן ניתן השם ננו-שפופרות פחמן, וכן יריעות שטוחות נפרדות של אטומי פחמן, הידועות בשם גרפן. על גילוי הפולרנים הוענק פרס נובל לכימיה לשנת 1996, ועל הכנת הגרפן הוענק פרס נובל לפיזיקה לשנת 2010.

יריעות גרפן מסתדרות בתבניות דו-ממדיות שטוחות ומישוריות כתוצאה מהמבנה המשושה של טבעות הפחמן המרכיבות את הרשת כולה, בדומה למבנה של יערת דבש. לעומת זאת, הצורה החדשה של הפחמן שזה עתה נחשפה נוטה שלא להיות שטוחה ולהתפתל כתוצאה מהימצאותן של 5 טבעות משובעות וטבעת מחומשת אחת המשובצות בסריג הכולל. פגמים אלו, כתוצאה מהימצאותן של טבעות בעלות מספר אי-זוגי של פחמנים, לא רק שהורסים את הגיאומטריה השטוחה של היריעות, אלא שהם משנים גם את התכונות הפיזיקליות, האופטיות והאלקטרוניות של חומר זה בהשוואה ליריעות הגרפן.

“החומר החדש שלנו הרבה יותר מסיס מצורתו השטוחה המקבילה באותו הגודל,” אומר החוקר הראשי. בנוסף, לחומרים יש צבע שונה. מדידות אלקטרוכימיות הראו כי שתי הצורות מתחמצנות באותה הקלות, אולם קשה יותר לחזר את הצורה החדשה.

גרפן נחשב מזה זמן רב כחומר פורץ דרך בתחום של רכיבי אלקטרוניקה ננומטריים. החוקרים הדגימו כי באמצעות החדרת פגמים של טבעות בעלות מספר אי-זוגי של אטומי פחמן לתוך סריג הגרפן ניתן לשנות ולהתאים את התכונות האלקטרוניות שלו באורח צפוי וזאת ע”י סינתזה כימית מבוקרת.

הידיעה על המחקר