Ученые обнаружили нового «родственника» алмаза, о существовании которого раньше лишь высказывались теоретические предположения

Сверкающий алмаз является одной из самых известных форм углерода. Теперь ученые создали новую пористую структуру углерода, напоминающую алмаз, которая демонстрирует еще один удивительный способ организации атомов углерода.
У алмаза и графита появился новый «родственник - двоюродный брат», которым является даймондайн (diamondiyne), кристаллическая структура которого на данный момент подтверждена лишь на микроскопических участках.

Такая структура углерода, предсказанная 35 лет назад, наконец была воплощена в виде тонкой пленки на границе раздела двух жидкостей. Исследователи из Гётеборгского университета (University of Gothenburg) впервые получили даймондайн, используя относительно недорогое оборудование, и тем самым добавили еще одну новую трехмерную форму к числу возможных состояний углерода.

Даймондайн является аллотропной модификацией углерода; так называют форму одного и того же химического элемента, отличающуюся способом расположения его атомов. Примерами могут служить алмаз и графит. Для того, чтобы создать даймондайн, ученые соединили атомы углерода тройными связями. В результате материал кристаллизуется в сеть, состоящую из тетраэдров - фигур с четырьмя треугольными гранями, - соединенных вершинами во всех трех измерениях.

«В этой структуре между тетраэдрами образуются пустоты. Поэтому данный аллотроп углерода можно сравнить с пористым алмазом. Но в отличие от обычных алмазов, для создания даймондайна не требуется высокое давление для того, чтобы заставить атомы углерода соединиться друг с другом», - объясняет Карл Бёрьессон (Karl Börjesson), профессор физической химии Гётеборгского университета, возглавляющий исследовательскую группу.

Подтверждение наличия кристаллических структур на крошечных участках

С помощью электронной микроскопии в Стокгольмском университете (Stockholm University) удалось подтвердить кристаллическую структуру материала, хотя всего лишь на отдельных участках поверхности пленки. В процессе формирования может возникнуть множество препятствий, мешающих атомам углерода выстроиться в структуру даймондайна.

«По крайней мере, нам удалось получить повторяющиеся фрагменты структуры даймондайна в объеме с размером по 10 нанометров (10 × 10⁻⁹ метра) с каждой стороны, и изображения этих структур хорошо согласуются с теоретическими моделями», - говорит Бёрьессон.

 Углеродные каркасы без ионов металлов

Это открытие стало результатом многолетней работы исследовательской группы по созданию пористых материалов, в которых молекулы на основе углерода соединяются друг с другом без участия ионов металлов. Такие материалы называются ковалентными органическими каркасами (covalent organic frameworks, COF). Они отличаются от металлоорганических каркасных структур (metal-organic frameworks, MOF), в которых молекулы на основе углерода сочетаются с ионами металлов, и достижения в этом направлении были отмечены Нобелевской премией по химии 2025 года. 

Коллега рассказал Бёрьессону о вебсайте, на котором химики-теоретики составили практически бесконечный список аллотропных модификаций углерода, которые можно создать. Теоретическое описание тетраэдрической структуры даймондайна было создано за десятилетия до того, как исследовательской группе удалось воплотить ее в жизнь.

«На это ушло невероятно много времени, но в итоге мы добились успеха. Я очень доволен», - говорит Бёрьессон.

В течение многих лет список известных аллотропных форм углерода ограничивался алмазом, графитом и тремя искусственно полученными разновидностями: фуллеренами, углеродными нанотрубками и графеном. Открытие фуллеренов и графена было отмечено Нобелевскими премиями, во многом потому, что сама идея существования таких материалов была новаторской. В последние годы исследователи создали множество других аллотропных форм углерода, среди которых даймондайн стал первой структурой в этой новой группе, обладающей трехмерной конфигурацией.

«Теперь мы займемся изучением свойств даймондайна и возможных областей его применения. Одна из интересных особенностей его пористого строения заключается в том, что несколько структур даймондайна потенциально могут переплетаться друг с другом, проходя через пустоты в каждой из них», - отмечает Бёрьессон.