Crean un “grafeno” más duro que el acero inoxidable, reflectante y magnético

Un “feliz accidente” ha generado una nueva forma estable de carbono puro hecha de materias primas baratas. Un “grafeno” más duro que el acero inoxidable, tan reflectante como un espejo de aluminio pulido y se comporta como un imán hasta los 125 ° C.

Un “feliz accidente” ha generado una nueva forma estable de carbono puro hecho de materias primas baratas, dicen los investigadores.

Al igual que el diamante y el grafeno, otras dos formas de carbono, el material parece tener propiedades físicas extraordinarias.

Es más duro que el acero inoxidable, casi tan conductor y tan reflectante como un espejo de aluminio pulido.

Quizás lo más sorprendente es que la sustancia parece ser ferromagnética, comportándose como un imán permanente a temperaturas de hasta 125 ° C.

El descubrimiento, anunciado por el físico Joel Therrien de la Universidad de Massachusetts en Lowell, podría conducir a recubrimientos livianos, productos médicos y dispositivos electrónicos novedosos.

El carbono es mucho más ligero que otros elementos ferromagnéticos como el manganeso, el níquel y el hierro.

Además, el carbono no es tóxico en el cuerpo.

Si puede ser magnético, podría ser muy útil para hacer biosensores o portadores de suministro de fármacos que podrían ser interrogados magnéticamente o dirigidos a tejidos enfermos.

Robert Whetten, científico de materiales de la Universidad del Norte de Arizona en Tucson, recuerda que a mediados de la década de 1980, cuando los científicos crearon por primera vez esferas de “buckyball” hechas de 60 átomos de carbono, “estaba el mismo grado de escepticismo, a pesar de todas las pruebas”.

Pero también señala que las afirmaciones anteriores de magnetismo en carbono puro, como una publicada en Nature en 2001, se han desmoronado cuando más tarde se encontró contaminación en las muestras.

Los investigadores solo han hecho películas delgadas del material, que han estudiado con microscopios electrónicos y espectrómetros de rayos X.

“Se necesita hacer mucha más caracterización”, dice Pulickel Ajayan de la Rice University en Houston, Texas.

“Estamos tratando de ser extremadamente cuidadosos”.

Él y los otros investigadores dicen que hasta ahora no han visto signos de impurezas que puedan explicar las propiedades del material.

Basado tanto en modelos teóricos como en datos analíticos, creen que consiste en capas corrugadas de átomos de carbono unidos apilados como tablas de lavar, con enlaces adicionales entre las capas.

Sumio Iijima, experto en nanomateriales de la Universidad Meijo en Nagoya, Japón, conocido por su descubrimiento en 1991 de nanotubos de carbono, otro “alótropo” de carbono, dice que los datos limitados presentados “no son lo suficientemente buenos” para convencerlo de que el grupo ha encontrado un nuevo alótropo.

Quiere que el equipo realice una cristalografía de rayos X, una técnica estándar de oro para determinar la estructura, en muestras más grandes.

Therrien dice que el descubrimiento se produjo en un intento fallido de sintetizar pentagrafeno, una capa de átomos de carbono unidos en anillos pentagonales que se ha predicho pero nunca creado.

Su idea era explotar una técnica conocida como “frustración geométrica”.

Colocó un catalizador, una lámina de lámina de cobre, sobre un pedestal en el centro de un horno de deposición química de vapor (CVD) y lo calentó a unos 800 ° C.

Pero en lugar de bombear un gas de alimentación de los pequeños hidrocarburos habituales, como el metano, inyectó un precursor más complejo: 2,2 dimetilbutano, un petroquímico barato que está disponible por toneladas.

Como un hexano ramificado, el químico tiene seis átomos de carbono dispuestos a lo largo de una columna vertebral doblada.

Las altas temperaturas de CVD normalmente descomponen los hidrocarburos complejos en la superficie del catalizador en átomos o moléculas simples, que luego se autoorganizan en láminas de grafeno o cristales como el diamante.

Pero experimentos anteriores llevaron a Therrien a creer que la columna vertebral torcida del hexano persistiría, creando una restricción geométrica que obligaría a los grupos de carbono “frustrados” a unirse a las células pentagonales de pentagrafeno.

No lo hicieron, pero los átomos se asentaron en una estructura diferente.

Therrien dice que el 13 de noviembre de 2017, después de dar una clase nocturna, regresó a su laboratorio para revisar su horno y notó el olor a alquitrán.

El interior del horno estaba cubierto de brea negra.

Pero la lámina de cobre estaba cubierta de algo que parecía plata pulida. “Me detuve en seco”, dice.

“Literalmente pasé media hora solo mirando esto, tratando de averiguar qué había sucedido en la Tierra”.

Después de 2 años de experimentación adicional con otros hexanos ramificados, el equipo pudo crear de manera confiable la sustancia una y otra vez, en películas de hasta 1 micrón de espesor y varios centímetros de ancho.

Puru Jena, colaborador de la Virginia Commonwealth University en Richmond, dice que los modelos de dinámica molecular predicen que los átomos de carbono forman capas corrugadas embaldosadas con anillos de seis o 12 átomos y unidos por enlaces covalentes.

El grafito, en contraste, consiste en capas planas de carbono que se deslizan libremente entre sí.

Ajayan dice que los datos de rayos X y microscopio electrónico apoyan la estructura predicha.

Él dice que esos datos también han confirmado otra predicción de Jena: que los enlaces en el material están formados por electrones compartidos en una mezcla de capas orbitales particulares, lo que los químicos llaman enlaces sp2 y sp3.

Los enlaces sp2 dejan a los electrones “no involucrados en ningún enlace y tipo de suspensión”, lo que facilita la alineación de sus espines, dice Jena. “Eso te da el ferromagnetismo”.

El material sigue siendo magnético incluso a las elevadas temperaturas a las que suelen operar los motores y las computadoras.

El magnetismo se suma a un conjunto de propiedades nunca antes vistas juntas en forma de carbono puro.

Incluyen una dureza tremenda que presumiblemente es el resultado de los enlaces que unen las capas adyacentes:

“Hemos intentado rascarlo con lana de acero, y sale limpio”, dice Therrien.

“Lo único que podemos decir que lo raspa de manera verificable es un escriba de diamante”.

Aunque el grupo aún no ha medido la resistencia a la tracción del material, el hecho de que las escamas cada vez más finas se mantengan juntas en un tamaño de milímetro sugiere que puede ser tan fuerte como algunos metales , él dice.

Luego está la apariencia de espejo.

Las mediciones del equipo indican que la película, incluso con solo 50 nanómetros de espesor, refleja más del 90% de la luz entrante en longitudes de onda que van desde el ultravioleta lejano hasta el infrarrojo medio.

Ese atributo podría convertirlo en un revestimiento reflectante útil, más duradero que el aluminio estándar, para espejos en cámaras y telescopios.

Su conductividad eléctrica resultó ser apenas inferior a la del acero inoxidable.

Pero también puede mostrar otras propiedades electrónicas.

El recocido del material calentándolo lentamente a 1000 ° C atenúa su brillo y lo convierte en un semiconductor con un intervalo de banda, la energía requerida para liberar un electrón, similar a la del silicio amorfo, que puede convertir la luz en electricidad.

Therrien sugiere que eso lo convierte en un material candidato para las células fotovoltaicas.

Therrien es optimista sobre el potencial a largo plazo de la frustración geométrica para sintetizar nuevos alótropos de carbono y otros elementos.

“Incluso si funciona solo para el carbono, el hecho mismo de que probablemente haya cientos de alótropos diferentes que puedas hacer con este enfoque realmente abrirá las cosas”.

El grupo aún no se ha decidido por un nombre para el material misterioso.

Jena lo llama carbono U, U para inusual.

Pero Therrien, inspirado por los alquimistas medievales que buscaron en vano “inflexible”, una piedra imán irrompible, lo llama adamantia.

Fuente: Science Mag