(Phys.org) —Carbyne será el más fuerte de una nueva clase de materiales microscópicos si alguien puede hacerlo a granel.

Si lo hacen, descubrirán que las nanovarillas o nanoropos de carbeno tienen una serie de propiedades notables y útiles, como se describe en un nuevo artículo del físico teórico de la Universidad de Rice, Boris Yakobson, y su grupo. El artículo aparece esta semana en la revista American Chemical Society. ACS Nano .

Carbyne es una cadena de átomos de carbono unidos por enlaces atómicos simples y triples dobles o alternos. Eso lo convierte en un verdadero material unidimensional, a diferencia de las láminas de grafeno delgadas como átomos que tienen una parte superior e inferior o nanotubos huecos que tienen un interior y un exterior.

Según el retrato extraído de los cálculos de Yakobson y su grupo:

• La resistencia a la tracción de Carbyne, la capacidad de resistir el estiramiento, supera "la de cualquier otro material conocido" y es el doble que la del grafeno. (Los científicos ya habían calculado que se necesitaría un elefante en un lápiz para atravesar una hoja de grafeno).
• Tiene el doble de rigidez a la tracción del grafeno y los nanotubos de carbono y casi tres veces la del diamante.
• Estirar el carbono tan solo en un 10 por ciento altera significativamente su banda prohibida electrónica.
• Si está equipado con asas moleculares en los extremos, también se puede torcer para alterar su banda prohibida. Con una rotación de extremo a extremo de 90 grados, se convierte en un semiconductor magnético.
• Las cadenas de carbeno pueden tomar moléculas laterales que pueden hacer que las cadenas sean adecuadas para el almacenamiento de energía.
• El material es estable a temperatura ambiente, resistiendo en gran medida los enlaces cruzados con cadenas cercanas.

Ese es un conjunto notable de cualidades para una simple cadena de átomos de carbono, Dijo Yakobson.

"Podrías verlo como una fina cinta de grafeno, reducido a un solo átomo, o un nanotubo finalmente delgado, ", dijo. Podría ser útil para sistemas nanomecánicos, en dispositivos espintrónicos, como sensores, como materiales resistentes y ligeros para aplicaciones mecánicas o para almacenamiento de energía.

"Independientemente de las aplicaciones, " él dijo, "académicamente, es muy emocionante conocer el ensamblaje de átomos más fuerte posible ".

Basado en los cálculos, dijo que el carbeno podría ser el estado de mayor energía para el carbono estable. "La gente suele buscar lo que se llama el 'estado fundamental, 'la configuración de energía más baja posible para los átomos, ", Dijo Yakobson." Para el carbono, eso sería grafito, seguido de diamante, luego nanotubos, luego fullerenos. Pero nadie pregunta por la configuración de energía más alta. Creemos que esto puede ser una estructura estable con la mayor energía posible ".

Las teorías sobre el carbeno aparecieron por primera vez en el siglo XIX, y una aproximación del material se sintetizó por primera vez en la URSS en 1960. Desde entonces, se ha visto Carbyne en grafito comprimido, ha sido detectado en polvo interestelar y ha sido creado en pequeñas cantidades por experimentadores.

"Siempre me ha interesado la estabilidad de los alambres delgados de cualquier cosa y qué tan delgada se puede hacer una varilla a partir de una sustancia química determinada, "Dijo Yakobson." Hace 10 años teníamos un artículo sobre el silicio en el que exploramos lo que le sucede al nanoalambre de silicio a medida que se adelgaza. A mi, esto era solo una parte de la misma pregunta ".

Los investigadores de Rice, dirigido por el estudiante graduado de Rice Mingjie Liu y el investigador postdoctoral Vasilii Artyukhov, estaban al tanto de una serie de artículos que describían una propiedad u otra del carbino. Se propusieron detallar el carbino con modelos informáticos utilizando reglas del primer principio para determinar las interacciones energéticas de los átomos, Artyukhov dijo.

"Nuestra intención era ponerlo todo junto, para construir una imagen mecánica completa del carbeno como material, ", Dijo Artyukhov." El hecho de que se haya observado nos dice que es estable bajo tensión, por lo menos, porque de lo contrario simplemente se desmoronaría ".

Yakobson dijo que los investigadores se sorprendieron al descubrir que la banda prohibida en el carbeno era tan sensible a la torsión. "Será útil como sensor de torsión o campos magnéticos, si puede encontrar una manera de sujetarlo a algo que lo haga girar, ", dijo." No buscamos esto, específicamente; surgió como un producto secundario ".

"Eso es lo bueno de estudiar las cosas con detenimiento, ", Dijo Artyukhov.

Otro hallazgo de gran interés fue la barrera de energía que evita que los átomos de las cadenas de carbono adyacentes colapsen entre sí. "Cuando se habla de material teórico, siempre debe tener cuidado para ver si reacciona consigo mismo, ", Dijo Artyukhov." Esto nunca se ha investigado realmente para el carbino ".

La literatura parecía indicar que el carbino "no era estable y formaría grafito u hollín, " él dijo.

En lugar de, los investigadores encontraron que los átomos de carbono en cadenas separadas podrían superar la barrera en un lugar, pero la rigidez de las varillas evitaría que se unieran en una segunda ubicación, al menos a temperatura ambiente. "Se verían como alas de mariposa, ", Dijo Artyukhov.

"Los paquetes pueden pegarse entre sí, pero no colapsarían por completo "Yakobson agregó." Eso podría hacer que sea muy poroso, red aleatoria que puede ser buena para la adsorción ". Artyukhov dijo que el área nominal específica de carbino es aproximadamente cinco veces mayor que la del grafeno.

Cuando el artículo del equipo estuvo disponible este verano en arXiv, la prensa científica e incluso parte de la prensa popular estaban tan entusiasmados con los cálculos que se dieron cuenta del artículo y sus implicaciones antes de que el equipo lo presentara para su revisión por pares. Ahora que el documento completo está listo para el consumo público, los investigadores dijeron que llevarán su investigación en nuevas direcciones.

Están analizando más rigurosamente la conductividad del carbeno y también están pensando en otros elementos. "Hemos hablado de analizar diferentes elementos de la tabla periódica para ver si algunos de ellos pueden formar cadenas unidimensionales, "Dijo Yakobson.