Una imagen de microscopio electrónico de transmisión muestra una red de nanodiamantes. Los químicos de la Universidad de Rice utilizaron su técnica de calentamiento flash Joule para controlar la evolución de la fase y el dopaje del carbono. Crédito:Tour Group / Rice University
El diamante puede ser solo una fase por la que pasa el carbono cuando se expone a un destello de calor, pero eso hace que sea mucho más fácil de obtener.
El laboratorio de la Universidad de Rice del químico James Tour ahora puede "evolucionar" el carbono a través de fases que incluyen valiosos nanodiamantes controlando estrictamente el proceso de calentamiento flash Joule que desarrollaron hace 18 meses.
Mejor de todo, pueden detener el proceso a voluntad para obtener el producto que desean.
En la revista American Chemical Society ACS Nano, los investigadores, dirigido por Tour y el estudiante de posgrado y autor principal Weiyin Chen, muestran que la adición de compuestos orgánicos de flúor y precursores de flúor al negro de carbón elemental lo convierte en varios alótropos difíciles de obtener cuando se enciende, incluidos los nanodiamantes fluorados, grafeno turbosestratico fluorado y carbono concéntrico fluorado.
Con el proceso flash introducido en 2020, una fuerte sacudida de electricidad puede convertir el carbono de casi cualquier fuente en capas de grafeno turbostratico prístino en menos de un segundo. ("Turbostrático" significa que las capas no están fuertemente unidas entre sí, haciéndolos más fáciles de separar en una solución).
El nuevo trabajo muestra que es posible modificar, o funcionalizar, los productos al mismo tiempo. La duración del flash, entre 10 y 500 milisegundos, determina el alótropo de carbono final.
Una imagen de microscopio electrónico muestra una etapa tardía en la evolución de átomos de carbono y flúor bajo calentamiento instantáneo de Joule. Los átomos de carbono forman capas concéntricas alrededor de un núcleo de nanodiamantes. A medida que avanza el calentamiento, la fase de diamante es reemplazada por la concha. Crédito:Tour Group / Rice University
La dificultad radica en cómo conservar los átomos de flúor, ya que la temperatura ultra alta provoca la volatilización de todos los átomos excepto el carbono. Para superar el problema el equipo utilizó un tubo de teflón sellado con espaciadores de grafito y varillas de tungsteno de alto punto de fusión, que puede contener el reactivo en el interior y evitar la pérdida de átomos de flúor bajo la temperatura ultra alta. El tubo sellado mejorado es importante, Tour dijo.
"En la industria, Ha habido un uso prolongado de diamantes pequeños en herramientas de corte y como aislantes eléctricos, ", dijo." La versión fluorada aquí proporciona una ruta para las modificaciones de estas estructuras. Y hay una gran demanda de grafeno, mientras que la familia de los fluorados se produce aquí a granel ".
Los nanodiamantes son cristales microscópicos, o regiones de cristales, que muestran el mismo entramado de átomos de carbono que los diamantes a macroescala. Cuando se descubrió por primera vez en la década de 1960, fueron hechos bajo calor y alta presión por detonaciones.
En años recientes, Los investigadores han encontrado procesos químicos para crear las mismas celosías. Un informe del año pasado del teórico de Rice, Boris Yakobson, mostró cómo el flúor puede ayudar a producir nanodiamantes sin alta presión, y el propio laboratorio de Tour demostró el uso de láseres pulsados para convertir el teflón en nanodiamantes fluorados.
Los nanodiamantes son muy deseables para aplicaciones electrónicas, ya que pueden doparse para servir como semiconductores de banda ancha, componentes importantes en la investigación actual de Rice y el Laboratorio de Investigación del Ejército.
El mecanismo de los químicos de la Universidad de Rice para la fase de evolución de los nanocarbonos flash fluorados muestra etapas con un aporte de energía cada vez más largo. Los átomos de carbono y flúor primero forman una red de diamante, luego el grafeno y finalmente el carbono concéntrico poliédrico. Crédito:Weiyin Chen
El nuevo proceso simplifica la parte de dopaje, no solo para los nanodiamantes sino también para los demás alótropos. Tour dijo que el laboratorio de Rice está explorando el uso del boro, fósforo y nitrógeno como aditivos.
En tiempos de flash más largos, los investigadores consiguieron incrustados nanodiamantes en capas concéntricas de carbono fluorado. Una exposición aún más prolongada convirtió el diamante por completo en conchas, desde afuera hacia adentro.
"Las estructuras de caparazón concéntrico se han utilizado como aditivos lubricantes, y este método flash podría proporcionar una ruta rápida y económica a estas formaciones, "Dijo Tour.
Los coautores del artículo son los estudiantes graduados de Rice, John Tianci Li, Zhe Wang, Wala Algozeeb, Emily McHugh, Kevin Wyss, Paul Advincula, Jacob Beckham y Bo Jiang, el científico investigador Carter Kittrell y los ex alumnos Duy Xuan Luong y Michael Stanford. Tour es el T.T. y W.F. Cátedra Chao de Química y profesora de informática y de ciencia de los materiales y nanoingeniería en Rice.
