Paquetes de CNT, mostrado en (a), están comprimidos y distorsionados, mostrado en (b), (C), y (d). Después de la formación de enlaces de carbono adicionales, se transforman en el nuevo carbono alótropo, Cco-C8, mostrado en (e). Crédito de la imagen:Zhao, et al. © 2011 Sociedad Estadounidense de Física
(PhysOrg.com) - Al aplicar una presión extrema para comprimir y aplanar los nanotubos de carbono, Los científicos han descubierto que pueden crear un nuevo polímero de carbono que, según las simulaciones, es lo suficientemente duro como para romper un diamante. El proceso de formación inducido por presión del nuevo carbono alótropo, llamado Cco-C 8 , es similar a la polimerización 3D del buckminsterfullereno similar a una pelota de fútbol, C 60 , a alta presión. Cuando el haz de nanotubos de carbono se somete a una mayor compresión, se vuelve aún más distorsionado y aplanado para producir el Cco-C 8 estructura.
Los científicos, dirigido por el profesor Yongjun Tian del Laboratorio Estatal Clave de Ciencia y Tecnología de Materiales Metaestables en la Universidad de Yanshan en Qinhuangdao, Porcelana, han publicado su estudio sobre el nuevo carbono superduro en un número reciente de Cartas de revisión física . 1
“El carbono del material estelar existe en varias arquitecturas debido a su capacidad para formar sp-, sp 2 -, y sp 3 -enlaces híbridos, fomentando el grafito, diamante, lonsdaleita, carabina, chaoite, carbono amorfo, nanotubos, fullerenos, grafeno etcétera, "Tian dijo PhysOrg.com . “Estos alótropos de carbono poseen propiedades excepcionales e incomparables, así como una importancia científica y tecnológica única, de tal manera que la búsqueda de nuevos alótropos de carbono ha sido durante mucho tiempo un tema candente en las comunidades de investigación científica. La mayor importancia de este trabajo radica en la nueva estrategia de comprimir directamente haces de nanotubos de carbono para diseñar y sintetizar nuevos alótropos de carbono metaestables. Esta estrategia implica que también se pueden obtener experimentalmente algunas fases metaestables de carbono con mayor energía ”.
Como explican los científicos, aplicar presión a algunos de estos alótropos de carbono puede cambiar los enlaces, dando como resultado diferentes formas de carbono con nuevas propiedades electrónicas y mecánicas.
En lugar de buscar experimentalmente nuevos alótropos de carbono, Los científicos aquí utilizaron una técnica desarrollada recientemente llamada Análisis de Estructura Cristalina por Optimización de Enjambre de Partículas (CALYPSO). Esta búsqueda computarizada fue diseñada para predecir estructuras cristalinas estables usando solo composiciones químicas de un compuesto dado en condiciones externas específicas. como la presión.
Las simulaciones CALYPSO primero arrojaron varias estructuras de carbono que ya se conocen experimentalmente (como el grafito y el diamante) o se proponen teóricamente (como la C quiral 6 ). Las simulaciones luego revelaron la novela Cco-C 8 alótropo un polímero 3D compuesto de delgados (2, 2) nanotubos de carbono interconectados a través de anillos de carbono de 4 y 6 miembros, que surge debido a la formación de enlaces adicionales entre átomos de carbono.
Las simulaciones mostraron que Cco-C 8 tiene una dureza Vickers de 95,1 GPa, que está ligeramente por debajo de los 97,5 GPa del diamante. Aunque hay varias formas de medir la dureza de un material, La dureza Vickers es uno de los métodos más comunes. En este método, un objeto afilado se comprime en un material, y se miden las dimensiones de la muesca resultante.
“La dureza se ha utilizado como una de las propiedades mecánicas macroscópicas de los materiales durante aproximadamente tres siglos, Tian explicó. "Por lo general, La dureza se puede definir macroscópicamente como la capacidad de un material para resistir el rayado o abolladura de otro. Recientemente, Definimos la dureza microscópicamente como la resistencia combinada de los enlaces químicos en un cristal a la indentación ". 2
Aunque Cco-C 8 tiene una dureza Vickers ligeramente inferior a la del diamante, los científicos predicen que Cco-C 8 debe ser lo suficientemente duro como para rayar y romper el diamante. Como explica Tian, esto se debe a que Cco-C 8 La resistencia a la compresión es mayor que la resistencia al corte del diamante.
“La resistencia mecánica o resistencia ideal de un material depende de los modos de carga de tracción, cizallamiento y compresión, ”Dijo. "Por ejemplo, Tanto la resistencia a la tracción como la resistencia al corte del diamante son de aproximadamente 90 GPa, mientras que su resistencia a la compresión es de hasta 223 GPa. Si se fuerza a la superficie de un solo cristal de diamante, Cco-C 8 como un indentador está principalmente en un estado comprimido, los enlaces químicos del diamante debajo del penetrador resisten la deformación por compresión, y las uniones alrededor del penetrador resisten la deformación por cizallamiento. Aunque Cco-C 8 tiene una dureza ligeramente menor que el diamante, la resistencia a la compresión de Cco-C 8 debe ser mucho mayor que la resistencia al corte del diamante. Cuando el esfuerzo en la zona de deformación cortante excede la resistencia cortante del diamante, se forma una muesca. En otras palabras, Cco-C 8 es capaz de romper diamantes ".
Cco-C 8 puede que no sea demasiado difícil de sintetizar en el futuro. Las simulaciones mostraron que Cco-C 8 es muy estable; el nuevo carbono alótropo es energéticamente más favorable que casi todas las demás estructuras de carbono teóricas. También, las simulaciones sugieren que Cco-C 8 se puede sintetizar comprimiendo directamente haces de nanotubos de carbono de una manera similar a sintetizar 3D C 60 polímeros.
De hecho, Cco-C 8 puede que ya se haya sintetizado sin saberlo. Experimentos previos sobre la compresión en frío de haces de nanotubos de carbono produjeron una nueva fase de carbono que originalmente se identificó como P-62c. Sin embargo, Tian y sus coautores piensan que la estructura era más probable Cco-C 8 .
Además, Los investigadores esperan que otros materiales de carbono novedosos con propiedades físicas únicas puedan formarse mediante técnicas de compresión similares utilizando nanotubos de diferentes tamaños u otras estructuras de carbono. Planean buscar estos materiales en el futuro.
"Primero, Usaremos esta estrategia para diseñar alótropos de carbono más novedosos, especialmente conduciendo carbonos superduros con parcialmente sp. 2 -enlaces C-C híbridos (en la estructura cristalina de Cco-C 8 , cada átomo de carbono es sp 3 -híbrido), ”Dijo Tian. "Segundo, Intentaremos sintetizar estos materiales de carbono diseñados utilizando haces de nanotubos de carbono a alta presión y alta temperatura ".
Añadió que Cco-C 8 podría tener aplicaciones en campos donde el diamante se ha utilizado como material superduro. Y si la búsqueda de CALYPSO descubre materiales conductores de carbono superduro, podrían tener aplicaciones potenciales en dispositivos electrónicos.
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