Un equipo dirigido por el profesor Artem Oganov del MIPT ha utilizado la simulación por computadora para predecir la existencia de cinco compuestos completamente nuevos de carbono y calcio con variadas propiedades químicas y físicas. obteniendo dos de ellos por experimento. El periódico Comunicaciones de la naturaleza ha publicado un artículo con los resultados del estudio.

El carburo de calcio (CaC2) no es un compuesto químico raro:es posible que se haya encontrado con estas pequeñas rocas blancas a partir de las cuales se produce acetileno para soldar con gas y fertilizantes. También hay una forma más exótica de un compuesto de calcio y carbono, hexacarburo de calcio (CaC6), que se convierte en superconductor a temperaturas relativamente altas de 11,5 Kelvin.

El grupo Oganov ha descubierto que la variedad de compuestos de carbono y calcio no se limita a estas dos sustancias. Usando simulación por computadora, encontraron que al menos otros cinco carburos pueden existir bajo ciertas condiciones.

Los científicos se especializan en buscar compuestos que parecen imposibles, ya que su existencia va en contra de las leyes químicas conocidas. Usando el algoritmo de simulación de compuestos químicos USPEX desarrollado por el profesor Oganov, predijeron la existencia de sales "no estándar" de sodio y cloro, NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl y Na3Cl, que rompió las leyes de la química, y luego obtuvo estos compuestos durante los experimentos. También descubrieron varios óxidos de aluminio "no estándar", óxidos de magnesio y otras sustancias.

Los compuestos de calcio y carbono atrajeron la atención del grupo porque las propiedades estructurales y electrónicas de ambos elementos varían mucho a diferentes presiones. En particular, a una presión de 216 GPa, el calcio muestra la temperatura de transición superconductora más alta (29 K) entre los elementos puros.

Usando el simulador de USPEX, Los científicos analizaron las propiedades de todos los posibles carburos que se pueden sintetizar a presiones que van desde lo normal a 100GPa y detectaron cinco posibles sustancias:Ca5C2, Ca2C, Ca3C2, CaC y Ca2C3.

Sus cálculos mostraron que Ca2C3 permanece estable a presiones por debajo de 28 GPa, Ca5C2 a presiones superiores a 58 GPa, Ca2C - por encima de 14 GPa, Ca3C2 - por encima de 50GPa, CaC - por encima de 26GPa, y CaC2 -por encima de 21 GPa. Las redes cristalinas de estos compuestos contienen estructuras carbónicas, con formas que van desde mancuernas hasta cinturones y capas formadas por hexágonos.

Ca2C resultó ser el compuesto más peculiar. Como el grafeno tiene la estructura y propiedades de un metal bidimensional. El grafeno es un material carbónico, cuya síntesis le valió a Andre Geim y Konstantin Novoselov el Premio Nobel de 2010. Pero a diferencia del grafeno, en Ca2C, la corriente eléctrica recorre las capas de átomos de calcio, no átomos de carbono, y hay grupos de electrones libres en las capas de calcio.

Para confirmar sus predicciones teóricas, El grupo de Oganov llevó a cabo un experimento para sintetizar los compuestos. Colocaron una mezcla de calcio y carbono en una llamada celda de yunque de diamante, una cámara en la que se aprieta una muestra de material entre dos diamantes. Las presiones pueden alcanzar cientos de GPa en dicha cámara.

Los científicos registraron la síntesis de Ca2C3 a presiones superiores a 10 GPa y temperaturas cercanas a los 2000 K, mientras que se observó Ca2C cuando las presiones excedieron los 22 GPa. Usando radiación de sincrotrón, el grupo pudo confirmar la existencia de estructuras que predijeron teóricamente.

"Es posible encontrar aplicaciones prácticas para estas sustancias inusuales, si se sintetizan en cantidades suficientes, "Dijo Oganov.

Los carburos bidimensionales con grupos de electrones libres son reductores únicos y pueden utilizarse en la industria química. Los carburos con tres o más átomos de carbono se pueden utilizar para sintetizar hidrocarburos poco comunes, Añadió Oganov.