发现：创造“灵活钻石”的更简单方法卡内基 科学研究所艺术家的构想展示了当起始材料被压缩在两颗钻石的点之间时如何进行引导的钻石纳米线合成。这种金刚石砧座细胞是一种常用的工具，可将物质置于极端压力下，卡内基科学家几十年来一直是部署这种研究技术的先驱领导者。信用：塞缪尔邓宁像金刚石一样坚硬，像塑料一样柔韧，备受追捧的金刚石纳米线将彻底改变我们的世界——如果它们不那么难制造的话。最近，由卡内基的塞缪尔·邓宁（Samuel Dunning）和蒂莫西·斯特罗贝尔（Timothy Strobel）领导的一个科学家团队开发了一种原创技术，可以预测和指导有序创建坚固而灵活的金刚石纳米线，克服了几个现有的挑战。这项创新将使科学家们更容易合成纳米线——这是未来将该材料应用于实际问题的重要一步。这项工作最近发表在《美国化学学会杂志》上。

金刚石纳米线是超薄的一维碳链，比人的头发细数万倍。它们通常是通过将较小的碳基环压缩在一起形成相同类型的键，从而使钻石成为地球上最坚硬的矿物。

然而，与普通钻石中发现的 3D 碳晶格不同，这些线的边缘被碳氢键“覆盖”，这使得整个结构变得灵活。

邓宁解释说：“因为纳米线只有一个方向的这些键，它们可以以普通钻石无法弯曲的方式弯曲和弯曲。”

科学家们预测，碳纳米线的独特性能将有一系列有用的应用，从在太空电梯上提供类似科幻的脚手架到制造超强织物。然而，科学家们很难创造出足够的纳米线材料来实际测试他们提出的超能力。

“如果我们想为特定应用设计材料，”邓宁说，“对我们来说，准确了解我们正在制造的纳米线的结构和粘合是至关重要的。这种线引导方法真的让我们能够做到这一点。”

最大的挑战之一是让碳原子以可预测的方式发生反应。在由苯和其他六原子环制成的纳米线中，每个碳原子都可以与不同的邻居发生化学反应。这导致许多可能的反应相互竞争以及许多不同的纳米线配置。这种不确定性是科学家在合成可以确定精确化学结构的纳米线时面临的最大障碍之一。邓宁的团队确定，在环中添加氮代替碳可能有助于引导反应沿着可预测的途径进行。他们选择从哒嗪开始他们的工作——一个由四个碳和两个氮组成的六原子环——并开始研究计算机模型。Dunning 与 Donostia 国际物理中心的 Bo Chen 和罗格斯大学和卡内基大学的助理教授 Li Zhu 合作，模拟了哒嗪分子在高压下的行为。

“在我们的系统中，我们使用两个氮原子从环系统中去除两个可能的反应位点。这大大减少了可能反应的数量，”邓宁说。哒嗪的起始样品——由四个碳和两个氮组成的六原子环——随着金刚石纳米线形成的进展在压力下发生变化。第一张和最后一张图像显示，螺纹形成后样品之间的颜色发生了永久性变化。这些图像没有显示单个线程，而是显示压缩过程中的“大块”哒嗪样品，每个样品厚约 40 微米，直径为 180 微米。信用：塞缪尔邓宁在运行了几次计算机模拟显示在高压下成功形成纳米线之后，他们准备将实验带到实验室。

该团队取一滴哒嗪并将其装入金刚石砧室——这种装置允许科学家通过在更传统的金刚石的微小尖端之间压缩样品来产生极端压力。使用红外光谱和 X 射线衍射，他们监测了哒嗪化学结构的变化，最高可达正常大气压的 300,000 倍，以寻找新键的产生。

当他们看到键形成时，他们意识到他们已经成功预测并在实验室中创造了第一条哒嗪金刚石纳米线。

“我们的反应途径产生了令人难以置信的有序纳米线，”邓宁说。“将其他原子结合到纳米线骨架中、引导反应和了解纳米线的化学环境的能力将为研究人员节省开发纳米线技术的宝贵时间。”

这种使用这些非碳原子来引导纳米线形成的过程（邓宁称之为“线引导”）是朝着未来科学家可以预测地制造这些材料并将其用于高级应用的重要一步。现在已经发现了这种合成策略，邓宁计划识别和测试许多可能的纳米线前体。

他也迫不及待地开始测试哒嗪纳米线。

邓宁总结道：“既然我们知道我们可以制造这种材料，我们需要开始制造足够多的东西来学习足够的知识来确定机械、光学和电子特性。”