(Phys.org) —Los científicos han propuesto una nueva familia de estructuras que son variaciones tridimensionales (3D) del grafeno, el ejemplo más simple se llama "hiperpanal". Si las estructuras propuestas se pueden realizar experimentalmente, las nuevas formas de ordenar los átomos de carbono se sumarían al número cada vez mayor de nuevos alótropos de carbono. Los científicos también predicen que, entre sus interesantes propiedades, el hiperpanal podría ser incluso más estable que el diamante.

Los científicos, Kieran Mullen, Bruno Uchoa, y Daniel T. Glatzhofer de la Universidad de Oklahoma, han publicado un artículo sobre el hiperpanal propuesto y las estructuras relacionadas en un número reciente de Cartas de revisión física .

El grafeno se describe a menudo con una estructura de panal o alambre de gallinero porque consta de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal de una sola capa de espesor. En esta estructura 2D, cada átomo de carbono está conectado a otros tres átomos de carbono. La "conectividad trigonal plana" resultante contribuye a las propiedades únicas del grafeno, en particular sus propiedades eléctricas que lo convierten en un excelente semiconductor.

Como explican los científicos, la conectividad trigonal del grafeno produce algo inusual:hace que la energía de un electrón varíe linealmente con el momento, lo que hace que los electrones imiten el comportamiento de los electrones que se mueven cerca de la velocidad de la luz. Los valores de momento en los que se produce este comportamiento se denominan "puntos de Dirac" por la ecuación de Dirac que describe los electrones relativistas. La mayoría de las estructuras materiales, carbono o de otro tipo, no contienen puntos de Dirac. Este comportamiento lineal influye fuertemente en cómo se comportan los electrones, afectando su dispersión y sus interacciones con las vibraciones en la celosía.

Aquí, Los científicos investigaron lo que sucede cuando los puntos de Dirac en una estructura trigonal plana basada en carbono se extienden en un espacio tridimensional para formar bucles de Dirac. Los bucles de Dirac no se entienden tan bien como los puntos de Dirac porque, a diferencia de los puntos de Dirac que comparten similitudes con los electrones relativistas, Los bucles de Dirac no tienen un análogo relativista. Hasta la fecha, Los bucles de Dirac nunca se han observado experimentalmente, y solo se ha predicho que existe en unos pocos materiales finamente ajustados.

El análisis de los científicos reveló que teóricamente se pueden formar bucles de Dirac cuando las cadenas de átomos de carbono conectados trigonalmente se apilan perpendiculares entre sí. Esta disposición difiere del grafito, que también es una forma 3D de grafeno, pero en el grafito, las capas de grafeno se apilan una encima de la otra como una pila de papel.

Las cadenas apiladas perpendicularmente propuestas podrían tener muchas dimensiones diferentes debido a las diferentes combinaciones posibles de hexágonos de panal verticales y horizontales en la celda unitaria de cada cadena. Por ejemplo, el ejemplo más simple, el hiper-panal, consta de solo dos átomos de carbono en cada cadena vertical y horizontal. Con sus capas verticales y horizontales, la celosía de hiperpanal se asemeja un poco a los estantes de una pequeña librería de dos lados.

"La importancia de nuestro trabajo es doble, "Mullen dijo Phys.org . "Primero, este es el primer sistema simple que muestra los bucles de Dirac. Los bucles de Dirac son un comportamiento que aún no se ha visto en los sistemas electrónicos. La existencia de tal bucle tendría fuertes efectos sobre cómo fluyen los electrones a través del sistema y cómo se comportan en presencia de un campo magnético.

"Segundo, el sistema conduce a una serie de sistemas relacionados que tendrían todos similares, comportamiento inusual. Algunas son otras estructuras de carbono, otros son sistemas físicos diferentes (por ejemplo, una red óptica de átomos de gas frío) que están conectados de manera similar. Podemos encontrar más comportamientos inusuales a medida que exploramos el 'zoológico' de los sistemas ".

Como explicaron los científicos, la estructura 3D también puede hacer que los alótropos de hiperpanal sean extremadamente estables, incluso más que el diamante o el grafito.

"La estabilidad puede ser complicada, "Mullen dijo, refiriéndose a cómo se define la estabilidad. "El diamante es más fuerte que el grafito, pero "menos estable" en el sentido de que no es la forma de carbono con la energía más baja. Es 'metaestable' en el sentido de que tendrías que esperar un tiempo increíblemente largo antes de que cambiara espontáneamente.

"Sabemos que la estructura H0 [hiperpanal] es metaestable:cualquier pequeña deformación de la estructura aumenta la energía. Sabemos que sería difícil para el sistema encontrar una manera de reorganizarse en cualquier otra red. Nosotros están tratando de calcular la 'dureza' y la 'resistencia'. El grafeno es fuerte (es difícil de rasgar) pero no duro (se puede estirar). Este verano sabremos más sobre las propiedades del material ".

Los científicos esperan que sintetizar esta nueva familia de alótropos de carbono será un desafío, pero posible con la tecnología actual. La síntesis podría requerir dopaje de cadenas de carbono sustituyendo otros átomos, como el talio, para algunos de los átomos de carbono con el fin de facilitar el crecimiento de las estructuras propuestas. Es más, incluso si estas estructuras no se pueden realizar en carbono, podrían crearse en redes ópticas de átomos de gas frío, o quizás en otras nanoestructuras que produzcan bucles similares.

"Primero, Exploraremos más el 'zoológico' de estas celosías, "Dijo Mullen." Esto implica calcular su conductividad térmica, rigidez, límite elástico, y magnetoconductividad. Segundo, Iremos más allá de esta simple imagen de un solo electrón de estos sistemas. Tercera, trabajaremos con colaboradores que quieran sintetizar estos materiales ".

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