Por primera vez, Los científicos han descubierto cómo producir "nanohilos de diamante" ultrafinos que prometen propiedades extraordinarias, incluyendo resistencia y rigidez mayores que las de los nanotubos y polímeros más fuertes de la actualidad. Un artículo que describe este descubrimiento por un equipo de investigación dirigido por John V. Badding, profesor de química en Penn State University, se publicará en el número del 21 de septiembre de 2014 de la revista Materiales de la naturaleza .

"Desde el punto de vista de las ciencias fundamentales, nuestro descubrimiento es intrigante porque los hilos que formamos tienen una estructura que nunca antes se había visto, ", Dijo Badding. El núcleo de los nanohilos que hizo el equipo de Badding es un largo, hebra delgada de átomos de carbono dispuestos como la unidad fundamental de la estructura de un diamante:anillos de "ciclohexano" en zig-zag de seis átomos de carbono unidos entre sí, en el que cada carbono está rodeado por otros en la fuerte forma de pirámide triangular de un tetraedro. "Es como si un joyero increíble hubiera ensartado los diamantes más pequeños posibles en un largo collar en miniatura, "Badding dijo." Debido a que este hilo es un diamante en el fondo, esperamos que resulte extraordinariamente rígido, extraordinariamente fuerte, y extraordinariamente útil ".

El descubrimiento del equipo se produce después de casi un siglo de intentos fallidos de otros laboratorios de comprimir moléculas separadas que contienen carbono, como el benceno líquido, en un orden ordenado. nanomaterial con forma de diamante. "Usamos el gran dispositivo París-Edimburgo de alta presión en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge para comprimir una cantidad de benceno de 6 milímetros de ancho, una cantidad gigantesca en comparación con experimentos anteriores, "dijo Malcolm Guthrie de la Carnegie Institution for Science, coautor del trabajo de investigación. "Descubrimos que liberar lentamente la presión después de una compresión suficiente a temperatura ambiente normal les dio a los átomos de carbono el tiempo que necesitaban para reaccionar entre sí y unirse en una cadena altamente ordenada de tetraedros de carbono de una sola fila. formando estos nanohilos con núcleo de diamante ".

El equipo de Badding es el primero en convencer a las moléculas que contienen átomos de carbono para que formen la fuerte forma de tetraedro, luego une cada tetraedro de un extremo a otro para formar un largo, nanohilo fino. Describe el ancho del hilo como fenomenalmente pequeño, solo unos pocos átomos de ancho, cientos de miles de veces más pequeño que una fibra óptica, enormemente más delgado que un cabello humano promedio. "La teoría de nuestro coautor Vin Crespi sugiere que este es potencialmente el más fuerte, material más rígido posible, al mismo tiempo que es liviano, " él dijo.

La molécula que comprimieron es el benceno, un anillo plano que contiene seis átomos de carbono y seis átomos de hidrógeno. El nanohilo de núcleo de diamante resultante está rodeado por un halo de átomos de hidrógeno. Durante el proceso de compresión, los científicos informan, las moléculas planas de benceno se apilan juntas, curva, y romper. Luego, a medida que los investigadores liberan lentamente la presión, los átomos se vuelven a conectar de una manera completamente diferente pero muy ordenada. El resultado es una estructura que tiene carbono en la configuración tetraédrica del diamante con hidrógenos colgando a un lado y cada tetraedro unido con otro para formar un largo, delgada, nanohilo.

"Realmente es sorprendente que este tipo de organización suceda, "Badding dijo." Que los átomos de las moléculas de benceno se unan a temperatura ambiente para formar un hilo es impactante para los químicos y físicos. Considerando experimentos anteriores, pensamos eso, cuando la molécula de benceno se rompe a muy alta presión, sus átomos quieren agarrarse a otra cosa pero no pueden moverse porque la presión elimina todo el espacio entre ellos. Este benceno se vuelve altamente reactivo de modo que, cuando soltamos la presión muy lentamente, ocurre una reacción de polimerización ordenada que forma el nanohilo con núcleo de diamante ".

Los científicos confirmaron la estructura de sus nanohilos de diamantes con varias técnicas en Penn State, Cresta de roble, Universidad del estado de Arizona, y la Carnegie Institution for Science, incluida la difracción de rayos X, difracción de neutrones, Espectroscopía Raman, cálculos de primer principio, microscopio de transmisión por electrones, y resonancia magnética nuclear de estado sólido (RMN). Partes de estos primeros nanohilos de diamante parecen ser algo menos que perfectos, por lo que mejorar su estructura es un objetivo continuo del programa de investigación de Badding. También quiere descubrir cómo hacer más de ellos. "Las altas presiones que usamos para fabricar el primer material de nanohilo de diamante limitan nuestra capacidad de producción a solo un par de milímetros cúbicos a la vez, por lo que todavía no lo utilizamos lo suficiente para que sea útil a escala industrial, ", Dijo Badding." Uno de nuestros objetivos científicos es eliminar esa limitación descubriendo la química necesaria para hacer estos nanohilos de diamante en condiciones más prácticas ".

El nanohilo también puede ser el primer miembro de una nueva clase de nanomateriales de tipo diamante basados ​​en un núcleo tetraédrico fuerte. “Nuestro descubrimiento de que podemos utilizar la alineación natural de las moléculas de benceno para guiar la formación de este nuevo material de nanohilo de diamante es realmente interesante porque abre la posibilidad de producir muchos otros tipos de moléculas basadas en carbono e hidrógeno, "Dijo Badding." Puedes unir todo tipo de otros átomos alrededor de un núcleo de carbono e hidrógeno. El sueño es poder agregar otros átomos que se incorporarían al nanohilo resultante. Presurizando cualquier líquido que diseñamos, es posible que seamos capaces de fabricar una enorme cantidad de materiales diferentes ".

Las aplicaciones potenciales que más interesan a Badding son aquellas que se mejorarían enormemente al tener rígido, y materiales ligeros, especialmente aquellos que podrían ayudar a proteger la atmósfera, incluyendo encendedor, más eficiente en combustible, y por tanto vehículos menos contaminantes. "Uno de nuestros sueños más locos para los nanomateriales que estamos desarrollando es que podrían usarse para hacer superresistentes, cables ligeros que harían posible la construcción de un "ascensor espacial", que hasta ahora ha existido sólo como una idea de ciencia ficción, "Dijo Badding.