El carbono elemental aparece en muchas formas, incluido el diamante, fullerenos y grafeno, que tienen una estructura única, electrónico, mecánico, transporte y propiedades ópticas que ofrecen una amplia gama de aplicaciones en física, química y ciencia de los materiales. Estos incluyen materiales compuestos, dispositivos emisores de luz a nanoescala y materiales de recolección de energía.

Dentro de la "familia del carbono, "solo carbina, una forma de carbono verdaderamente unidimensional, aún no se ha sintetizado a pesar de haber sido estudiado durante más de 50 años. Su extrema inestabilidad en las condiciones ambientales hizo que la prueba experimental final de su existencia fuera difícil de lograr. Una colaboración internacional de investigadores ha desarrollado una ruta novedosa para la producción a granel de cadenas de carbono compuestas por más de 6, 400 átomos de carbono usando delgados, nanotubos de carbono de doble pared como huéspedes protectores de las cadenas.

Estos hallazgos se publican en la revista Materiales de la naturaleza y representan un elegante precursor hacia el objetivo final de la producción a granel de carbyne. Además de las posibles aplicaciones, Estos hallazgos abren la posibilidad de responder preguntas fundamentales sobre las correlaciones de electrones, interacciones electrón-fonón y transiciones de fase cuántica en materiales unidimensionales.

Incluso en su forma elemental, la alta versatilidad de enlace del carbono produce muchos materiales bien conocidos, incluidos el diamante y el grafito. Una sola capa de grafito, llamado grafeno, se puede enrollar o doblar en nanotubos de carbono o fullerenos, respectivamente. Hasta la fecha, Se han otorgado premios Nobel por trabajos fundamentales tanto en grafeno (2010) como en fullerenos (1996). Aunque la existencia de carbono acetilénico lineal, una cadena de carbono infinitamente larga también llamada carbeno, fue propuesto en 1885 por Adolf von Baeyer, quien recibió un Premio Nobel por sus contribuciones generales a la química orgánica en 1905, los científicos aún no han podido sintetizar este material. Von Baeyer incluso sugirió que Carbyne seguiría siendo esquivo, ya que su alta reactividad siempre conduciría a su destrucción inmediata. Sin embargo, Las cadenas de carbono de mayor longitud se han sintetizado con éxito durante los últimos 50 años.

Hasta aquí, el poseedor del récord es una cadena compuesta por alrededor de 100 átomos de carbono (2003). Este récord ahora se ha roto por un factor de más de 50 con la primera demostración de cadenas a escala micrométrica, reportado en Materiales de la naturaleza hoy dia. Investigadores de la Universidad de Viena dirigidos por Thomas Pichler han desarrollado un enfoque novedoso y simple para estabilizar cadenas de carbono con una longitud récord de más de 6, 400 átomos de carbono.

Usan el espacio confinado dentro de un nanotubo de carbono de doble pared como nano-reactor para hacer crecer cadenas de carbono ultralargas a gran escala. La existencia de las cadenas se ha confirmado de forma inequívoca mediante el uso de una multitud de sofisticados, métodos complementarios. Estos incluyen el uso de dependientes de la temperatura, espectroscopía Raman de campo cercano y lejano con diferentes láseres (para la investigación de propiedades electrónicas y vibratorias), espectroscopía electrónica de transmisión de alta resolución (para la observación directa del carbino dentro de los nanotubos de carbono) y dispersión de rayos X (para la confirmación del crecimiento de la cadena en masa). "La prueba experimental directa de cadenas de carbono lineales ultralargas confinadas, que son dos órdenes de magnitud más largas que las cadenas probadas más largas hasta ahora, son un paso prometedor hacia el objetivo final de desentrañar el santo grial de los alótropos de carbono verdaderamente 1D, carbino, "explica Lei Shi, primer autor del artículo.

El carbeno es muy estable dentro de los nanotubos de carbono de doble pared. Esta propiedad es crucial para su eventual aplicación en futuros materiales y dispositivos. Según modelos teóricos, Las propiedades mecánicas del carbeno superan a todos los materiales conocidos, superando tanto al grafeno como al diamante (por ejemplo, es 40 veces más rígido que el diamante, dos veces más rígido que el grafeno y tiene una mayor resistencia a la tracción que todos los demás materiales de carbono).

Las propiedades eléctricas de Carbyne dependen de la longitud de la cadena unidimensional, sugiriendo así nuevas aplicaciones nanoelectrónicas en el transporte de espín cuántico y semiconductores magnéticos, además de su atractivo general en física y química. "Este trabajo proporcionó un ejemplo de una colaboración muy eficiente y fructífera entre los experimentos y la teoría con el fin de desentrañar y controlar las propiedades electrónicas y mecánicas de las bajas dimensiones, materiales a base de carbono. Condujo a la síntesis y caracterización de la cadena de carbono lineal más larga de la historia. Estos hallazgos proporcionan el banco de pruebas básico para estudios experimentales relacionados con la correlación electrónica y las transiciones de fase dinámica cuántica en geometrías confinadas que antes no eran posibles. Es más, las propiedades mecánicas y electrónicas del carbino son excepcionales y sugieren una gran cantidad de nuevas posibilidades para el diseño de dispositivos nanoelectrónicos y optomecánicos, ", concluye Ángel Rubio.