دانشمندان پس از ۳۵ سال شکل جدیدی از کربن به نام «دیاموندیاین» را کشف کردند

کربن به عنوان یکی از سازگارترین عناصر جدول تناوبی، بار دیگر شگفتی‌ساز شده است؛ محققان دانشگاه گوتنبرگ سوئد به همراه تیمی از دانشگاه‌های چالمرز و استکهلم، موفق به سنتز شکل جدیدی از کربن به نام «دیاموندیاین» (Diamondiyne) شده‌اند. این کشف که نتایج آن در اواسط اکتبر ۲۰۲۶ مورد توجه جهانی قرار گرفت، به یک انتظار ۳۵ ساله در دنیای شیمی پایان داد.[1][4]

دیاموندیاین یک آلوتروپ سه‌بعدی کربن است که ساختاری شبیه به الماس دارد، اما با یک تفاوت بنیادین؛ این ماده دارای شبکه‌ای متخلخل و فضاهای خالی گسترده است. در حالی که الماس از پیوندهای یگانه و متراکم تشکیل شده، دیاموندیاین ترکیبی از پیوندهای یگانه و سه‌گانه کربن-کربن را در خود جای داده است.[1][2]

این ترکیب منحصربه‌فرد از پیوندها باعث می‌شود که اتم‌های کربن به شکل چهاروجهی‌هایی (تتراهدرون) درآیند که از گوشه‌ها به یکدیگر متصل شده‌اند. نتیجه این اتصال، ایجاد یک شبکه سه‌بعدی است که محققان آن را به عنوان یک «الماس متخلخل» توصیف می‌کنند.[4]

کارل بورجسون، استاد شیمی فیزیک در دانشگاه گوتنبرگ می‌گوید: «این ساختار فضاهای خالی بین چهاروجهی‌ها ایجاد می‌کند. بنابراین این آلوتروپ کربن را می‌توان به یک الماس متخلخل تشبیه کرد.» این فضاهای خالی به دیاموندیاین اجازه می‌دهند تا رفتاری کاملاً متفاوت از الماس سنتی از خود نشان دهد.[4][5]

مکانیسم سنتز در مرز دو مایع

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در تولید آلوتروپ‌های جدید کربن، نیاز به شرایط آزمایشگاهی بسیار سخت و فشارهای فوق‌العاده بالا است. با این حال، تیم تحقیقاتی سوئدی برای تولید دیاموندیاین از یک روش کاملاً نوآورانه و نسبتاً ارزان استفاده کرد که نیازی به فشارهای خردکننده نداشت.[1][5]

آن‌ها این ماده را از طریق یک واکنش کنترل‌شده در مرز مشترک دو مایع، یعنی یک فاز آبی و یک فاز کلروفرم، سنتز کردند. در این روش، مولکول‌های پیش‌ساز در محل تلاقی دو مایع با یکدیگر واکنش داده و شبکه‌ای پیوسته از بلورهای دیاموندیاین را به شکل یک لایه نازک تشکیل دادند.[2][3]

ضخامت این لایه‌های نازک کربنی با تغییر سرعت واکنش قابل کنترل است و محققان توانسته‌اند فیلم‌هایی با ضخامت چند نانومتر تا ۶۰ نانومتر تولید کنند. این لایه‌ها در حال حاضر مساحتی در حدود پنج سانتی‌متر مربع را پوشش می‌دهند که نشان‌دهنده قابلیت مقیاس‌پذیری این روش در ابعاد آزمایشگاهی است.[1][3]

با وجود موفقیت در سنتز، محققان دریافتند که بلورهای دیاموندیاین تنها در بخش‌هایی از این لایه نازک و در میان کربن‌های آمورف (بی‌شکل) تشکیل می‌شوند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی در دانشگاه استکهلم تایید کرد که الگوهای تکرارشونده دیاموندیاین در حجم‌هایی به ابعاد ۱۰ نانومتر در هر ضلع با موفقیت شکل گرفته‌اند.[4][5]

پایان یک انتظار ۳۵ ساله

ایده وجود چنین ساختاری از کربن برای اولین بار بیش از سه دهه پیش توسط شیمیدانان نظری مطرح شد. در آن زمان، دانشمندان با استفاده از مدل‌سازی‌های ریاضی پیش‌بینی کردند که ترکیب پیوندهای یگانه و سه‌گانه می‌تواند به یک شبکه سه‌بعدی پایدار منجر شود.[1][2]

دلیل طولانی شدن روند سنتز این ماده، ناپایداری یکی از بلوک‌های سازنده شیمیایی آن و همچنین دشواری در اصلاح پیوندهای اشتباه در طول واکنش بود. اگر اتم‌های کربن در حین تشکیل شبکه به درستی متصل نمی‌شدند، بازگرداندن آن‌ها به حالت اولیه تقریباً غیرممکن بود.[1][4]

سنتز موفقیت‌آمیز دیاموندیاین نه تنها یک دستاورد بزرگ در علم مواد محسوب می‌شود، بلکه صحت پیش‌بینی‌های نظری ۳۵ سال پیش را نیز تایید می‌کند. این موضوع نشان می‌دهد که مدل‌سازی‌های محاسباتی در شیمی تا چه حد می‌توانند در هدایت کشفیات تجربی دقیق و کارآمد باشند.[1][5]

محققان این کشف را به عنوان یک «کربو-مر» (carbo-mer) از الماس توصیف می‌کنند؛ به این معنا که واحدهای دارای پیوند سه‌گانه در میان مراکز کربنی شبکه الماس قرار گرفته و ساختار کلی را بسط داده‌اند. این انبساط ساختاری، کلید اصلی ایجاد تخلخل در این ماده جدید است.[2]

کاربردهای احتمالی و چشم‌انداز آینده

اگرچه دیاموندیاین هنوز در مراحل اولیه تحقیق قرار دارد، اما ساختار قفس‌مانند و متخلخل آن هیجان زیادی را در میان دانشمندان علم مواد ایجاد کرده است. این فضاهای خالی می‌توانند به عنوان میزبان برای اتم‌ها یا مولکول‌های دیگر عمل کنند و خواص کاملاً جدیدی به ماده ببخشند.[1][4]

یکی از جذاب‌ترین احتمالات، استفاده از دیاموندیاین به عنوان جایگزینی برای چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs) است. در حالی که این چارچوب‌ها برای ایجاد تخلخل به یون‌های فلزی وابسته‌اند، دیاموندیاین می‌تواند همان سطح از تخلخل را تنها با استفاده از اتم‌های سبک و مقاوم کربن فراهم کند.[4][5]

علاوه بر این، محققان معتقدند که شبکه‌های مجزای دیاموندیاین می‌توانند از طریق فضاهای خالی یکدیگر در هم تنیده شوند و ساختارهای پیچیده‌تری را ایجاد کنند. این ویژگی می‌تواند به تولید موادی با مقاومت مکانیکی بی‌نظیر و وزن بسیار کم منجر شود که در صنایع پیشرفته کاربرد فراوانی خواهند داشت.[2][4]

در حوزه الکترونیک و ذخیره‌سازی انرژی نیز، این ماده جدید پتانسیل‌های قابل توجهی دارد. ساختار باز و شبکه‌ای آن می‌تواند مسیرهای جدیدی را برای حرکت الکترون‌ها یا یون‌ها فراهم کند که در توسعه باتری‌های نسل آینده یا ابرخازن‌ها با ظرفیت بالا بسیار حیاتی خواهد بود.[1]

با این حال، هنوز راه درازی تا تجاری‌سازی این ماده باقی مانده است. در حال حاضر، بازده تولید بلورهای خالص دیاموندیاین در واکنش‌های آزمایشگاهی تنها حدود یک درصد است و بخش عمده محصول نهایی را کربن‌های بی‌شکل تشکیل می‌دهند.[1][5]

تیم تحقیقاتی اکنون تمرکز خود را بر روی بهینه‌سازی شرایط واکنش و افزایش خلوص بلورهای تولیدی قرار داده است. آن‌ها همچنین در حال بررسی دقیق‌تر خواص فیزیکی و شیمیایی این ماده هستند تا دریابند آیا دیاموندیاین می‌تواند در سختی با برادر بزرگ‌تر خود، یعنی الماس، رقابت کند یا خیر.[4][5]

کشف دیاموندیاین بار دیگر ثابت کرد که عنصر کربن هنوز رازهای کشف‌نشده بسیاری در دل خود دارد. این دستاورد نه تنها خانواده آلوتروپ‌های کربن را گسترش داد، بلکه ابزارهای مفهومی جدیدی را برای طراحی مواد پیشرفته در اختیار شیمیدانان سراسر جهان قرار داد.[2][3]

تکنیک استفاده شده در این پژوهش، یعنی سنتز در مرز دو مایع، می‌تواند فراتر از تولید دیاموندیاین نیز کاربرد داشته باشد. دانشمندان امیدوارند با الهام از این روش، بتوانند سایر مواد نظری و غیرقابل دسترس را که تا پیش از این تنها در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری وجود داشتند، به واقعیت تبدیل کنند.[1]