Όταν σκεφτόμαστε τον άνθρακα, το μυαλό μας πηγαίνει συνήθως σε δύο άκρα: Στον ταπεινό γραφίτη ενός μολυβιού ή στη μοναδική λάμψη ενός πολύτιμου διαμαντιού.
Κι όμως, αυτό το τόσο κοινό αλλά και συναρπαστικό στοιχείο της φύσης δεν έχει σταματήσει να εκπλήσσει την επιστημονική κοινότητα. Σε μια ανακάλυψη που ανατρέπει τα όσα ξέραμε, οι επιστήμονες κατάφεραν να φέρουν στο φως έναν άγνωστο μέχρι σήμερα “ξάδερφο” του διαμαντιού.
Το νέο αυτό υλικό, που για χρόνια παρέμενε ένας άπιαστος γρίφος στις σελίδες των επιστημονικών θεωριών, είναι πλέον πραγματικότητα, ανοίγοντας ένα ολοκαίνουριο κεφάλαιο στην επιστήμη των υλικών.
Το διαμάντι και ο γραφίτης έχουν έναν νέο “ξάδερφο” άνθρακα που ονομάζεται diamondiyne (διαμαντιΐνη), με μια κρυσταλλική δομή που μέχρι στιγμής έχει επιβεβαιωθεί μόνο σε μικροσκοπικά τμήματα. Μια δομή άνθρακα που είχε προταθεί πριν από 35 χρόνια πήρε τελικά μορφή μέσα σε μια λεπτή μεμβράνη, στο σημείο όπου συναντώνται δύο υγρά.
Χρησιμοποιώντας σχετικά φθηνό εξοπλισμό, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Γκέτεμποργκ δημιούργησαν τη διαμαντιΐνη (diamondiyne) για πρώτη φορά, προσθέτοντας μια νέα τρισδιάστατη δομή στις μορφές που μπορεί να πάρει ο άνθρακας. Η διαμαντιΐνη είναι ένα αλλότροπο του άνθρακα, δηλαδή μια μορφή του στοιχείου που ξεχωρίζει από τον τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομά του.
Το διαμάντι και ο γραφίτης είναι μερικά γνωστά παραδείγματα. Για να δημιουργήσουν τη διαμαντιΐνη, οι ερευνητές ένωσαν άτομα άνθρακα μέσω τριπλών δεσμών. Το υλικό κρυσταλλώνεται σε ένα δίκτυο τετραέδρων (σχήματα με τέσσερις τριγωνικές έδρες), τα οποία συνδέονται κορυφή με κορυφή και στις τρεις διαστάσεις.
“Η δομή αυτή δημιουργεί κενά ανάμεσα στα τετράεδρα. Επομένως, αυτό το αλλότροπο του άνθρακα μπορεί να συγκριθεί με ένα πορώδες διαμάντι. Όμως, αντίθετα με τα διαμάντια, η διαμαντιΐνη δεν απαιτεί υψηλή πίεση για να συνδεθούν τα άτομα του άνθρακα μεταξύ τους”, αναφέρει ο Karl Börjesson, καθηγητής Φυσικής Χημείας στο Πανεπιστήμιο του Γκέτεμποργκ, ο οποίος ηγείται της ερευνητικής ομάδας.
Μικροσκοπικά “αποτυπώματα” επιβεβαιώνουν τη νέα κρυσταλλική δομή
Η ηλεκτρονική μικροσκοπία στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης επιβεβαίωσε την κρυσταλλική δομή, αν και μόνο σε συγκεκριμένα τμήματα στην επιφάνεια της μεμβράνης. Πολλά πράγματα μπορούν να πάνε στραβά κατά τη διάρκεια του σχηματισμού και να εμποδίσουν τα άτομα του άνθρακα να συντεθούν σε διαμαντιΐνη.
“Καταφέραμε τουλάχιστον να δημιουργήσουμε επαναλαμβανόμενα μοτίβα διαμαντιΐνης σε έναν όγκο με διαστάσεις 10 νανόμετρα σε κάθε πλευρά (10 × 10⁻⁹ μέτρα), και οι εικόνες αυτών των μοτίβων αντιστοιχούν απόλυτα στα θεωρητικά μοντέλα”, αναφέρει ο Börjesson.
Η καινοτομία: Σκελετοί άνθρακα χωρίς την ανάγκη μετάλλων
Η ανακάλυψη προέκυψε μέσα από τη μακροχρόνια προσπάθεια της ομάδας να δημιουργήσει πορώδη υλικά στα οποία τα μόρια με βάση τον άνθρακα ενώνονται μεταξύ τους χωρίς μεταλλικά ιόντα. Τα υλικά αυτά ονομάζονται ομοιοπολικοί οργανικοί σκελετοί (COFs).
Διαφέρουν από τους μέταλλο-οργανικούς σκελετούς (MOFs), οι οποίοι συνδυάζουν μόρια με βάση τον άνθρακα με μεταλλικά ιόντα και των οποίων η ανάπτυξη τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Χημείας το 2025.
Ένας συνάδελφος μίλησε στον Börjesson για έναν ιστότοπο όπου θεωρητικοί χημικοί είχαν συγκεντρώσει μια σχεδόν ατελείωτη λίστα με αλλότροπα του άνθρακα που θα έπρεπε να είναι εφικτό να δημιουργηθούν. Η τετραεδρική δομή της διαμαντιΐνης είχε περιγραφεί θεωρητικά δεκαετίες προτού η ομάδα καταφέρει τελικά να την κατασκευάσει.
“Μας πήρε απίστευτα πολύ χρόνο, αλλά τελικά τα καταφέραμε”. “Είμαι πολύ ικανοποιημένος”, δηλώνει ο Börjesson.
Για πολλά χρόνια, τα γνωστά αλλότροπα του άνθρακα περιορίζονταν στο διαμάντι, τον γραφίτη και τρεις τεχνητά παραγόμενες μορφές: Τα φουλερένια, τους νανοσωλήνες άνθρακα και το γραφένιο. Η ανάπτυξη των φουλερενίων και του γραφενίου αναγνωρίστηκε με Βραβεία Νόμπελ, κυρίως επειδή η ιδέα και μόνο ότι αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να υπάρξουν ήταν από μόνη της καινούργια.
Οι ερευνητές έχουν δημιουργήσει πολλά επιπλέον αλλότροπα τα τελευταία χρόνια, με τη διαμαντιΐνη να είναι το πρώτο από αυτή τη νεότερη ομάδα που διαθέτει τρισδιάστατη δομή. “Τώρα θα διερευνήσουμε τις ιδιότητες της διαμαντιΐνης και πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί. Μια συναρπαστική πτυχή της πορώδους δομής της είναι ότι αρκετές δομές διαμαντιΐνης θα μπορούσαν ενδεχομένως να πλεχτούν η μία μέσα στα κενά της άλλης”, αναφέρει ο Börjesson.
