Shkencëtarët një hap më afër shndërrimit të qymyrit në grafit

Një ekip në Universitetin e Ohajos kreu një seri simulimesh që tregojnë se si qymyri mund të shndërrohet në materiale të vlefshme dhe neutrale ndaj karbonit, si grafiti dhe nanotubat e karbonit.

Duke përdorur sistemin Bridges-2 të Qendrës Superkompjuterike të Pittsburgh, studiuesit simuluan qymyrin dhe grafitin në softuerin kompjuterik dhe rikrijuan virtualisht konvertimin nga qymyri në grafit. Gjenerata të tëra shkencëtarësh e dinë se, të paktën në teori, është e mundur të shndërrohet qymyri në grafit nëse karburanti fosil vihet nën presion të mjaftueshëm në një temperaturë mjaft të lartë.

Grafit i pastër është një seri fletësh të përbëra nga unaza me gjashtë karbon. Një lloj i veçantë lidhjesh kimike i quajtur ‘lidhje aromatike’ i mban këto karbone së bashku.

Në lidhjet aromatike, elektronet pi notojnë sipër dhe poshtë unazave. Këto re elektronike “rrëshqitëse” bëjnë që fletët të rrëshqasin lehtësisht pranë njëra-tjetrës. “Plumbi” i lapsit – një formë grafiti me cilësi të ulët – lë një shenjë në letër sepse fletët rrëshqasin nga njëra-tjetra dhe ngjiten në letër.

Lidhjet aromatike kanë një tjetër virtyt, të rëndësishëm në teknologjinë elektronike. Elektronet pi lëvizin lehtësisht nga unaza në unazë dhe fletë në fletë. Kjo bën që grafiti të përçojë elektricitetin, edhe pse nuk është metal.

Për krahasim, qymyri është i çrregullt kimikisht. Ndryshe nga natyra rreptësisht dy-dimensionale e një fletë grafiti, ajo ka lidhje në tre dimensione. Ai gjithashtu përmban hidrogjen, oksigjen, azot, squfur dhe atome të tjera që mund të prishin formimin e grafitit.

Për të filluar studimet e tyre, David Drabold dhe ekipi i tij krijuan një “thëngjill” të thjeshtuar që përbëhej vetëm nga atome karboni në pozicione të rastësishme. Duke e ekspozuar këtë qymyr të thjeshtuar ndaj presionit dhe temperaturës së lartë – rreth 3,000 Kelvin, ose gati 5,000 Fahrenheit – ata mund të hedhin një hap të parë në studimin e shndërrimit të tij në grafit.

“Për të nxjerrë jashtë letrën me grafit amorf, na duhej të bënim shumë analiza serioze,” tha Chinonso Ugwumadu, një studente doktorature në grupin e Drabold. “Krahasuar me sistemet e tjera që kemi, Bridges është më i shpejti dhe më i saktë. Sistemet tona të shtëpisë … duhen rreth dy javë për të simuluar 160 atome. Me Bridges, ne mund të ekzekutojmë 400 atome gjatë gjashtë deri në shtatë ditë duke përdorur teorinë funksionale të densitetit.

Në fillim, shkencëtarët e Ohajos kryen simulimet e tyre duke përdorur parimet bazë fizike dhe kimike nëpërmjet teorisë funksionale të densitetit. Kjo qasje e saktë por e rëndë për llogaritje kërkonte shumë llogaritje paralele. Më vonë, ata i zhvendosën llogaritjet e tyre në një mjet të ri softuer, GAP (Potenciali i përafrimit Gaussian), i cili përdor mësimin e makinerive për të kryer në thelb të njëjtat llogaritje shumë më shpejt.

Rezultatet e tyre ishin më të komplikuara nga sa kishte pritur ekipi. Fletët u formuan. Por atomet e karbonit nuk zhvilluan plotësisht unaza të thjeshta, me gjashtë karbon. Një pjesë e unazave kishte pesë karbone; të tjerët kishin shtatë.

Unazat jo-gjashtë karboni përbënin një rrudhë interesante, në më shumë se një. Ndërsa unazat me gjashtë karbon janë të rrafshët, unazat e karbonit me pesë dhe shtatë anëtarë gërvishten, por në kuptime të kundërta të “lakimit pozitiv dhe negativ”.

Shkencëtarët mund të kishin pritur që këto gërvishtje të prishnin formimin e fletëve të grafitit. Por fletët u formuan gjithsesi, ndoshta sepse pesëkëndëshat dhe shtatëkëndëshat balanconin njëri-tjetrin në simulime. Fletët ishin teknikisht grafit amorf sepse nuk ishin thjesht me gjashtë unaza. Por përsëri, ata formuan shtresa.

Në një seri tjetër simulimesh, Ugwumadu vazhdoi punën e tij me Rajendra Thapa për të studiuar molekulat dhe jo trupat e ngurtë. Kushtet në këto sims bënë që fletët të përkuleshin në vetvete. Në vend të fletëve, ata formuan nanotuba karboni amorfë të mbivendosur (CNT) – një seri tubash me një shtresë atomike, njëri brenda tjetrit.

CNT-të kanë qenë të nxehta në shkencën e materialeve kohët e fundit, pasi ato janë në fakt tela të vegjël që mund të përdoren për të përcjellë energjinë elektrike në shkallë tepër të vogla. Aplikime të tjera premtuese të CNT-ve përfshijnë katalizimin e qelizave të karburantit, prodhimin e superkondensatorëve dhe baterive litium-jon, mbrojtjen e interferencave elektromagnetike, shkencat biomjekësore dhe nano-neuroshkencën.

Një aspekt i rëndësishëm i punës së CNT ishte se Ugwumadu studioi se si rrudhat amorfe në muret e tubit ndikojnë në lëvizjen e energjisë elektrike nëpër strukturë. Në shkencën e materialeve, çdo “bug” është gjithashtu një “veçori” – inxhinierët mund të jenë në gjendje të përdorin parregullsi të tilla për të rregulluar sjelljen e një CNT të caktuar për të përmbushur kërkesat e sakta të nevojshme në një pajisje të re elektronike.

Grupi vazhdon të studiojë shndërrimin e atomeve të karbonit në grafit dhe materiale të ngjashme.