Logran sintetizar por primera vez grafino, una forma alotrópica del carbono similar al grafeno

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El avance abre nuevas posibilidades para investigación en electrónica, óptica y materiales semiconductores.

Científicos de CU Boulder han sintetizado con éxito el grafino, que se ha teorizado durante décadas pero nunca se ha producido con éxito.

Durante más de una década, los científicos han intentado sintetizar una nueva forma de carbono llamada grafino con un éxito limitado.

Sin embargo, ese esfuerzo ahora ha llegado a su fin, gracias a una nueva investigación de la Universidad de Colorado Boulder.

Graphyne o grafino ha sido durante mucho tiempo de interés para los científicos debido a sus similitudes con el grafeno, el “material maravilloso“, otra forma de carbono muy valorada por la industria cuya investigación incluso fue galardonada con el Premio Nobel de Física en 2010.

Sin embargo, a pesar de décadas de trabajo solo se han creado unos pocos fragmentos antes de ahora.

Esta investigación llena un vacío de larga data en la ciencia del material de carbono, abriendo potencialmente nuevas posibilidades para la investigación de materiales semiconductores, electrónicos y ópticos.

“Toda la audiencia, todo el campo, está realmente entusiasmado de que este problema de larga data, o este material imaginario, finalmente se haga realidad“, dijo Yiming Hu (PhDChem’22), el autor principal del artículo.

Los científicos han estado interesados durante mucho tiempo en la construcción de alótropos de carbono nuevos o novedosos, o formas de carbono, debido a la utilidad del carbono para la industria, así como a su versatilidad.

Hay diferentes formas en que se pueden construir los alótropos de carbono dependiendo de cómo se utilicen los híbridos de carbono, denominados carbono hibridado sp2, sp3 y sp (o las diferentes formas en que los átomos de carbono pueden unirse a otros elementos), y sus enlaces correspondientes.

Los alótropos de carbono más conocidos son el grafito (utilizado en herramientas como lápices y baterías) y los diamantes, que se crean a partir de carbono sp2 y carbono sp3, respectivamente.

Utilizando métodos químicos tradicionales, los científicos han creado con éxito varios alótropos a lo largo de los años, incluido el fullereno (cuyo descubrimiento ganó el Premio Nobel de Química en 1996) y el grafeno.

Sin embargo, estos métodos no permiten que los diferentes tipos de carbono se sinteticen juntos en ningún tipo de gran capacidad, como lo que se requiere para el grafino, que se especula que tiene propiedades ópticas, mecánicas y conductoras de electrones únicas.

Pero también fue esa necesidad de lo no tradicional lo que llevó a aquellos en el campo a acercarse al grupo de laboratorio de Wei Zhang.

Zhang, profesor de química en CU Boulder y autor del artículo, estudia la química reversible, que es la química que permite que los enlaces se autocorrijan, lo que permite la creación de nuevas estructuras ordenadas, o redes, como polímeros sintéticos similares al ADN.

Crear graphyne es una “pregunta muy antigua, de larga data, pero como las herramientas sintéticas eran limitadas, el interés disminuyó“, comentó Hu, quien era estudiante de doctorado en el grupo de laboratorio de Zhang.

“Resaltamos el problema nuevamente y usamos una nueva herramienta para resolver un viejo problema que es realmente importante”.

Usando un proceso llamado metátesis de alquinos, que es una reacción orgánica que implica la redistribución, o corte y reforma, de enlaces químicos de alquinos (un tipo de hidrocarburo con al menos un enlace covalente triple carbono-carbono), así como termodinámica y control cinético, el grupo pudo crear con éxito lo que nunca antes se había creado: un material que podía rivalizar con la conductividad del grafeno pero con control.

“Hay una diferencia bastante grande (entre el grafeno y el grafino), pero en el buen sentido”, dijo Zhang.

“Este podría ser el material maravilloso de la próxima generación. Por eso la gente está muy emocionada”.

Si bien el material se ha creado con éxito, el equipo aún quiere analizar los detalles particulares del mismo, incluida la forma de crear el material a gran escala y cómo se puede manipular.

“Realmente estamos tratando de explorar este material novedoso desde múltiples dimensiones, tanto experimental como teóricamente, desde el nivel atómico hasta los dispositivos reales”, dijo Zhang sobre los próximos pasos.

Estos esfuerzos, a su vez, deberían ayudar a descubrir cómo se pueden utilizar las propiedades ópticas y conductoras de electrones del material para aplicaciones industriales como las baterías de iones de litio.

“Esperamos que en el futuro podamos reducir los costos y simplificar el procedimiento de reacción, y luego, con suerte, las personas realmente pueden beneficiarse de nuestra investigación”, dijo Hu.

Fuente: Nature Synthesis