por los escritores del private
Ulsan, Corea del Sur (SPX) 27 de enero de 2023
Las formas más conocidas de carbono incluyen el grafito y el diamante, pero también hay otros alótropos de carbono a nanoescala más exóticos. Estos incluyen el grafeno y los fullerenos, que son carbono hibridado sp2 con curvatura cero (forma plana) o positiva (forma esférica).
Mientras tanto, se ha propuesto teóricamente el carbono hibridado sp2 con curvatura negativa, llamado ‘schwarzita’, y su descubrimiento ha sido el sueño de algunos científicos en el campo de los materiales de carbono. Se ha aprendido que el carbono se puede moldear en algunos de los poros periódicos de ciertas zeolitas a través de la deposición de vapor, pero el moldeado está incompleto debido a que algunos poros simplemente son demasiado estrechos. Esto ha frustrado la fabricación de schwartzitas de carbono mediante rutas de plantillas.
Recientemente, un equipo de investigadores del Centro de Materiales Multidimensionales de Carbono del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) de Corea del Sur, dirigido por el director Rodney Ruoff y sus colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, dirigido por el profesor Yanwu Zhu, informó de un descubrimiento de una nueva forma de carbono.
“El profesor Ruoff explicó su interés en las superficies mínimas triplemente periódicas que describió el matemático Schwartz, y cómo el carbono unido trivalentemente puede, en principio, producir estructuras idénticas en las construcciones matemáticas”, dijo el profesor Zhu, quien dirigió el equipo de la USCT. “Estos ahora se conocen como estructuras de ‘carbono schwarzita’, y eso también se puede llamar ‘carbono de curvatura negativa’. Hace años le dije que este period un tema de investigación emocionante y que podría ser posible encontrar formas de colaborar con su sugerencia”.
Esta nueva forma de carbono se produjo utilizando polvo de fullereno C60 (buckminsterfullereno, también llamado “moléculas de buckyball”) como materials base. El C60 se mezcló con a-Li3N (‘nitruro de litio alfa’) y luego se calentó a temperaturas moderadas mientras se mantenía a una atmósfera de presión. Se supo que el a-Li3N catalizó la ruptura de algunos de los enlaces carbono-carbono en C60, y luego se formaron nuevos enlaces CC con moléculas C60 vecinas a través de la transferencia de electrones a las moléculas C60.
“En este esfuerzo specific, el profesor Zhu y el equipo de la USTC utilizaron un potente agente de transferencia de electrones (a-Li3N) para impulsar la formación de un nuevo tipo de carbono comenzando con fullereno cristalino”, dijo el profesor Ruoff.
El profesor Zhu y su equipo llamaron a su nuevo carbono ‘carbono poroso ordenado de largo alcance (LOPC)’.
LOPC consiste en ‘jaulas C60 rotas’ que están conectadas con una periodicidad de largo alcance. Es decir, cada una de las jaulas C60 rotas todavía está centrada en los sitios de celosía de la celosía cúbica centrada en las caras, pero se han “abierto” hasta cierto punto y han formado enlaces entre sí. Esta es una situación un tanto inusual: todavía hay un orden periódico de largo alcance de cierto tipo, pero no todas las jaulas C60 rotas son idénticas a sus vecinas.
Se encontró que la formación de LOPC se produjo en condiciones de temperatura estrecha y relación carbono/Li3N. El calentamiento hasta 550 °C con una proporción de 5:1 entre el carbono y el Li3N provoca la destrucción parcial (rotura de algunos enlaces CC) de las buckyballs, lo que resultó en el descubrimiento de la estructura de “jaula C60 rota” que se encuentra en la LOPC.
Una temperatura más suave de 480C o un nivel más bajo de Li3N no daña las bolas de Bucky, que en su lugar se unen para formar un “cristal de polímero C60”. Este cristal se descompone nuevamente en bolas de Bucky individuales al recalentarse. Mientras tanto, agregar demasiado Li3N o una temperatura más dura por encima de los 600 ° C resultó en la desintegración completa de las bolas de Bucky.
Este nuevo carbono se caracterizó por una variedad de métodos, y (de hecho) su caracterización no fue fácil debido a la variedad de ‘jaulas C60 rotas’ ligeramente diferentes que, sin embargo, mantienen sus posiciones en una purple cristalina cúbica centrada en la cara estándar.
La difracción de rayos X, la espectroscopia Raman, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de estado sólido con rotación de ángulo mágico, la microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberraciones y la dispersión de neutrones se utilizaron para obtener una comprensión de la estructura de esta nueva forma de carbono. Las simulaciones numéricas basadas en un tipo de modelado de purple neuronal, combinadas con los métodos experimentales mencionados anteriormente, muestran que LOPC es una estructura metaestable producida durante la transformación de carbonos de ‘tipo fullereno’ a ‘tipo grafeno’.
Los datos de ‘estructura fina de absorción de rayos X de borde Okay de carbono cerca del borde’ muestran un mayor grado de deslocalización de electrones en LOPC que en C60. Se encuentra que la conductividad eléctrica es de 1.17?+?10-2?S?cm-1 a temperatura ambiente, y la conducción a una temperatura de menos de 30 Kelvin parece ser una combinación de transporte comparable al metálico en distancias cortas puntuadas por el portador saltando. Conocer estas propiedades eléctricas es importante para dilucidar qué posibles aplicaciones podría haber para este nuevo tipo de carbono.
“Si bien este nuevo y hermoso tipo de carbono tiene muchas características fascinantes, no es una schwarzita de carbono, ¡así que el desafío experimental aún permanece en el horizonte! De hecho, este carbono es algo diferente y único: abre posibilidades completamente nuevas en nuevas direcciones para materiales de carbono”, señaló el profesor Ruoff.
La preparación de LOPC allana el camino para el descubrimiento de otros carbonos cristalinos a partir de C60(s), y quizás de otros fullerenos como C70, C76, C84, and so forth. Otras opciones interesantes serían incluir otro elemento. Esto se puede hacer comenzando con los fullerenos “endoédricos” como (correo electrónico protegido) C60, donde M puede ser un elemento como el lantano o muchos otros, que se encapsula dentro de la jaula de fullereno de carbono.
El equipo ve posibles aplicaciones en la recolección, transformación y almacenamiento de energía; en catálisis para generar productos químicos; y para la separación de iones moleculares o gases. Un aspecto importante también enfatizado en su artículo de Nature es la escalabilidad de la síntesis. Zhu señala que es fácilmente escalable a una escala de kilogramos, y con procesos de producción continuos, puede ser posible lograr una producción a escala de toneladas.
“Yanwu me invitó a unirme al esfuerzo después de cierto éxito inicial en la síntesis y los prometedores pasos iniciales en su proyecto y, afortunadamente, pude hacer algunas sugerencias útiles sobre la ciencia en curso y hasta la finalización de este estudio ahora publicado en Nature. Crédito para la síntesis y los estudios experimentales prácticos se debe enteramente a Yanwu y su equipo. Fue un placer brindar algunos consejos sobre ciertos temas, incluidos algunos análisis para realizar y lo que se puede aprender de ellos “, señaló el profesor Ruoff.
“La colaboración con colegas es uno de los placeres de hacer ciencia. El tema aquí period una nueva forma de carbono, perfectamente alineada con los intereses de nuestro centro CMCM que dirijo y que está ubicado en la UNIST. Entonces, salté a la colaboración con emoción y un gran afán por tratar de contribuir de manera útil!”
“El profesor Ruoff es un científico legendario en materiales de carbono y también, simplemente en basic. Fui becario postdoctoral en su grupo de investigación durante 3 años y 3 meses, y durante esos años aprendí mucho sobre cómo hacer ciencia básica de él. .
De hecho, mis últimos años como posdoctorado los pasé en un diálogo muy cercano con él a diario sobre el trabajo que finalmente se publicó en Science, que resultó ser también sobre carbono unido trivalente basado en láminas similares al grafeno”, señaló el profesor Zhu. “Mi equipo y yo estamos muy contentos de que se uniera a nuestro esfuerzo, y contribuyó fuertemente a la ciencia que hemos descrito en nuestro artículo publicado en Nature”.
Informe de investigación:Carbones porosos ordenados de largo alcance producidos a partir de C60
enlaces relacionados
Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan
Carbon Worlds: donde se encuentran el grafito, el diamante, los amorfos y los fullerenos
