Forskare skapar porös diamantstruktur av kol

Nobelpriset i kemi 2025 gick till byggandet av nya porösa material med kolbaserade molekyler och metalljoner, så kallade MOF:ar. Karl Börjessons forskargrupp på Göteborgs universitet har länge intresserat sig för att tillverka porösa material utan metalljoner, där kolbaserade molekyler istället binder till ickemetaller och bildar så kallade COF:ar. Den nya strukturen diamondiyne kan betraktas som en helt kolbaserad version av COF:ar.

– En av de mest fascinerande egenskaperna hos COF:ar är deras nanoporer, som kan skräddarsys med stor precision. Med hjälp av organisk kemi kan porerna utformas för att selektivt fånga upp specifika ämnen, vilket öppnar för tillämpningar inom koldioxidinfångning, vattenrening och batteriteknik, säger Yizhou Yang, biträdande universitetslektor vid Chalmers tekniska högskola.

Han var tidigare postdoc i forskargruppen på Göteborgs universitet och har utfört en stor del av det experimentella arbetet bakom den nya studien.

Stor utmaning att skapa teoretisk struktur

Idén till diamondiyne fick forskarna efter att en kollega tipsade Karl Börjesson om en webbsida där teoretiska kemister listat kolallotroper som enligt beräkningar borde bildas. Listan var närmast oändlig.

Allotroper är olika strukturella former av samma grundämne. Diamanter och grafiter är exempel på allotroper av kol. Diamondiyne, vars tetraederformade struktur först beskrevs teoretiskt för 35 år sedan, är ytterligare en.

Arbetet med att lyckas binda samman kolatomerna i den förutsagda strukturen har dock tagit lång tid.

− De första två åren innebar fler misslyckade försök än jag kan minnas. Jag undersökte många olika reaktionsbetingelser. Kemin i sig var relativt okomplicerad. Den största utmaningen var att få fram en kristallin produkt, berättar Yizhou Yang.

För att framställa diamondiyne används relativt enkel och billig utrustning. Materialet bildas som en tunn film i gränsskiktet mellan två vätskor. Där ordnar sig kolatomerna i en prydlig ordning i form av tetraedrar som kopplar i varandra hörn mot hörn i alla tre dimensioner.

– Strukturen gör att det bildas tomrum mellan tetraederna. Kolföreningen kan därför liknas vid en porös diamant. Men till skillnad från diamanter behövs inget stort tryck för att få kolatomerna att binda sig med varandra i diamondiyne, säger Karl Börjesson.

"Ett vackert ordnat kristallglitter"

Yizhou Yang minns tydligt när han för första gången tecken på kristallstrukturen i transmissionselektronmikroskopet vid Chalmers Materials Analysis Laboratory.

− När ljusa, stjärnliknande punkter dök upp i FFT-mönstret (fast Fourier transform) – ett typiskt tecken på kristallinitet – hoppade hjärtat till. Jag höll andan och finjusterade försiktigt mikroskopets fokus tills ett vackert ordnat kristallgitter framträdde på skärmen. I det ögonblicket var min glädje svår att beskriva − jag visste att vi hade lyckats.

Kristallstrukturen bekräftades därefter med elektronmikroskopi vid Stockholms universitet, även om den endast kunde observeras fläckvis på filmens yta. Det finns mycket som kan gå fel som gör att kolatomerna inte bildar diamondiyne.

– Vi har i alla fall fått fram upprepade mönster av diamondiyne i en volym där varje sida mäter 10 nanometer, och bilderna av mönstren stämmer väl med de teoretiska modellerna, säger Karl Börjesson.

Vidare studier av egenskaper och användningsområden

Länge var de kända kolallotroperna begränsade till diamant, grafit. Senare tillkom de tre framställda kolsturkturerna fulleren, kolnantuber och grafen. Under de senaste åren har ytterligare kolallotroper tillverkats, men enligt forskarna skiljer sig diamoniyde genom sin tredimensionella uppbyggnad.

Upptäckten av såväl grafen som fulleren har belönats med Nobelpris. I båda fallen öppnade upptäckterna för helt nya sätt att strukturera kol och för material med nya egenskaper.

– Nu ska vi undersöka vilka egenskaper diamondiyne besitter och hur det kan komma till användning. En spännande sak med den porösa strukturen är att det kan skapas flera diamondiyne-föreningar som vävs in i varandras tomrum, säger Karl Börjesson.

Yizhou Yangs forskargrupp vid Chalmers är specifikt inriktade på hur man kan använda ramverksmaterial.

– I nästa steg kommer vi att undersöka diamondiyne som en funktionell komponent i elektroniska enheter och studera hur olika typer av partiklar rör sig genom materialets porösa nätverk, säger han.