La estructura de clatrato de tipo sodalita bipartita, que consiste en jaulas octaédricas truncadas "huésped" que atrapan átomos "huéspedes" de estroncio, fue sintetizado en condiciones de alta presión y alta temperatura utilizando una técnica de calentamiento por láser. Crédito:Tim Strobel.
Li Zhu y Timothy Strobel de Carnegie predijeron y sintetizaron una clase muy buscada de materiales "superdiamantes" a base de carbono con propiedades mecánicas y electrónicas ajustables. Su trabajo es publicado por Avances de la ciencia .
El carbono es el cuarto elemento más abundante del universo y es fundamental para la vida tal como la conocemos. No tiene rival en su capacidad para formar estructuras estables, tanto solos como con otros elementos.
Las propiedades de un material están determinadas por la forma en que se enlazan sus átomos y los arreglos estructurales que crean estos enlaces. Para materiales a base de carbono, el tipo de unión marca la diferencia entre la dureza del diamante, que tiene enlaces "sp3" tridimensionales, y la suavidad del grafito, que tiene enlaces "sp2" bidimensionales, por ejemplo.
A pesar de la enorme diversidad de compuestos de carbono, solo un puñado de tridimensionales, Se conocen materiales a base de carbono con enlaces sp3, incluido el diamante. La estructura de unión tridimensional hace que estos materiales sean muy atractivos para muchas aplicaciones prácticas debido a una variedad de propiedades que incluyen resistencia, dureza, y conductividad térmica.
"Aparte del diamante y algunos de sus análogos que incorporan elementos adicionales, casi no se han creado otros materiales de carbono sp3 extendidos, a pesar de las numerosas predicciones de estructuras potencialmente sintetizables con este tipo de vinculación, "Strobel explicó." Siguiendo un principio químico que indica que agregar boro a la estructura mejorará su estabilidad, Examinamos otra clase de materiales de carbono unidos en 3-D llamados clatratos, que tienen una estructura reticular de jaulas que atrapan otros tipos de átomos o moléculas ".
Los clatratos compuestos por otros elementos y moléculas son comunes y se han sintetizado o encontrado en la naturaleza. Sin embargo, Los clatratos a base de carbono no se han sintetizado hasta ahora, a pesar de las antiguas predicciones de su existencia. Los investigadores intentaron crearlos durante más de 50 años.
Tim Strobel y Li Zhu de Carnegie dirigieron un equipo que utilizó herramientas avanzadas de búsqueda de estructuras para predecir el primer clatrato a base de carbono termodinámicamente estable y luego sintetizaron la estructura del clatrato. que se compone de jaulas de carbono-boro que atrapan átomos de estroncio. Crédito:Tim Strobel.
Strobel, Zhu, y su equipo, Gustav M. Borstad de Carnegie, Hanyu Liu, Piotr A. Gucka, Michael Guerette, Juli-Anna Dolyniuk, Yue Meng, y Ronald Cohen, así como Eran Greenberg y Vitali Prakapenka de la Universidad de Chicago y Brian L. Chaloux y Albert Epshteyn del Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos, abordaron el problema mediante un enfoque combinado computacional y experimental.
"Utilizamos herramientas avanzadas de búsqueda de estructuras para predecir el primer clatrato a base de carbono termodinámicamente estable y luego sintetizamos la estructura del clatrato, que se compone de jaulas de carbono-boro que atrapan átomos de estroncio, en condiciones de alta presión y alta temperatura, "Dijo Zhu.
El resultado es un 3-D, Estructura a base de carbono con un enlace similar al diamante que es recuperable a las condiciones ambientales. Pero a diferencia del diamante, los átomos de estroncio atrapados en las jaulas hacen que el material sea metálico, lo que significa que conduce electricidad, con potencial de superconductividad a temperaturas notablemente altas.
Y lo que es más, las propiedades del clatrato pueden cambiar dependiendo de los tipos de átomos invitados dentro de las jaulas.
"Los átomos invitados atrapados interactúan fuertemente con las jaulas anfitrionas, ", Comentó Strobel." Dependiendo de los átomos invitados específicos presentes, el clatrato se puede sintonizar de un semiconductor a un superconductor, todo mientras se mantiene robusto, enlaces tipo diamante. Dado el gran número de posibles sustituciones, visualizamos una clase completamente nueva de materiales a base de carbono con propiedades altamente ajustables ".
"Para cualquier persona que esté interesada en Pokémon, o cuyos hijos estén interesados, esta estructura de clatrato a base de carbono es como el Eevee de los materiales, "bromeó Zhu." Dependiendo del elemento que capture, tiene diferentes habilidades ".
