El descubrimiento de buckyballs sorprendió y deleitó a los químicos en la década de 1980, los nanotubos animaron a los físicos en la década de 1990, y el grafeno cargó a los científicos de materiales en la década de 2000, pero una estructura de carbono a nanoescala, una superficie curvada negativamente llamada schwarzita, ha eludido a todos. Hasta ahora.

Universidad de California, Berkeley, Los químicos han demostrado que tres estructuras de carbono creadas recientemente por científicos en Corea del Sur y Japón son de hecho las schwarzitas largamente buscadas, que los investigadores predicen tendrá propiedades eléctricas y de almacenamiento únicas como las que ahora se están descubriendo en buckminsterfullerenes (buckyballs o fullerenes para abreviar), nanotubos y grafeno.

Las nuevas estructuras se construyeron dentro de los poros de las zeolitas, Formas cristalinas de dióxido de silicio (arena) que se utilizan más comúnmente como suavizantes de agua en detergentes para ropa y para romper catalíticamente el petróleo en gasolina. Carbones denominados con plantilla de zeolita (ZTC), las estructuras estaban siendo investigadas en busca de posibles propiedades interesantes, aunque los creadores desconocían su identidad como schwarzitas, en los que los químicos teóricos han trabajado durante décadas.

Basado en este trabajo teórico, los químicos predicen que las schwarzitas tendrán componentes electrónicos únicos, propiedades magnéticas y ópticas que los harían útiles como supercondensadores, electrodos y catalizadores de batería, y con amplios espacios internos ideales para almacenamiento y separación de gas.

El becario postdoctoral de UC Berkeley Efrem Braun y sus colegas identificaron estos materiales de ZTC como schwarzites basados ​​en su curvatura negativa, y desarrolló una forma de predecir qué zeolitas se pueden usar para fabricar schwarzitas y cuáles no.

"Ahora tenemos la receta de cómo hacer estas estructuras, lo cual es importante porque, si podemos hacerlos, podemos explorar su comportamiento, que estamos trabajando duro para hacer ahora, "dijo Berend Smit, profesor adjunto de ingeniería química y biomolecular en UC Berkeley y experto en materiales porosos como zeolitas y estructuras organometálicas.

Smit, el autor correspondiente del artículo, Braun y sus colegas en Suiza, Porcelana, Alemania, Italia y Rusia informarán de su descubrimiento esta semana en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Jugando con carbono

El diamante y el grafito son arreglos cristalinos tridimensionales bien conocidos de carbono puro, pero los átomos de carbono también pueden formar "cristales" bidimensionales, arreglos hexagonales con un patrón similar al de una tela metálica. El grafeno es uno de esos arreglos:una hoja plana de átomos de carbono que no solo es el material más fuerte de la Tierra, pero también tiene una alta conductividad eléctrica que lo convierte en un componente prometedor de los dispositivos electrónicos.

Las láminas de grafeno se pueden enrollar para formar fullerenos con forma de balón de fútbol:jaulas esféricas de carbono que pueden almacenar moléculas y que se utilizan hoy en día para administrar fármacos y genes al cuerpo. Rodar grafeno en un cilindro produce fullerenos llamados nanotubos, que se están explorando hoy como cables altamente conductores en la electrónica y recipientes de almacenamiento de gases como el hidrógeno y el dióxido de carbono. Todos estos son submicroscópicos, 10, 000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano.

Hasta la fecha, sin embargo, solo fullerenos y grafeno positivamente curvados, que tiene curvatura cero, han sido sintetizados, hazañas premiadas con premios Nobel en 1996 y 2010, respectivamente.

En la década de 1880, El físico alemán Hermann Schwarz investigó estructuras curvadas negativamente que se asemejan a superficies de burbujas de jabón, y cuando el trabajo teórico sobre las moléculas de la jaula de carbono se incrementó en la década de 1990, El nombre de Schwarz se unió a las hipotéticas láminas de carbono curvadas negativamente.

"La validación experimental de schwarzites completa así el triunvirato de posibles curvaturas al grafeno; curvado positivamente, plano, y ahora curvado negativamente, "Añadió Braun.

Minimizarme

Como pompas de jabón en marcos de alambre, las schwarzitas son superficies topológicamente mínimas. Cuando se hace dentro de una zeolita, se inyecta un vapor de moléculas que contienen carbono, permitiendo que el carbono se monte en una lámina bidimensional similar al grafeno que recubre las paredes de los poros de la zeolita. La superficie se estira tensamente para minimizar su área, lo que hace que todas las superficies se curven negativamente, como una silla de montar. Luego se disuelve la zeolita, dejando atrás la schwarzita.

"Estos carbonos con curvas negativas han sido muy difíciles de sintetizar por sí mismos, pero resulta que puedes hacer crecer la película de carbono catalíticamente en la superficie de una zeolita, ", Dijo Braun." Pero las schwarzitas sintetizadas hasta la fecha se han hecho eligiendo plantillas de zeolita a través de prueba y error. Proporcionamos instrucciones muy simples que puede seguir para hacer schwarzites racionalmente y mostramos que, eligiendo la zeolita adecuada, puede ajustar las schwarzites para optimizar las propiedades que desee ".

Los investigadores deberían poder empaquetar cantidades inusualmente grandes de carga eléctrica en schwarzites, lo que los convertiría en mejores condensadores que los convencionales que se utilizan hoy en día en electrónica. Su gran volumen interior también permitiría el almacenamiento de átomos y moléculas, que también se está explorando con fullerenos y nanotubos. Y su gran superficie, equivalente a las áreas de superficie de las zeolitas en las que se cultivan, podría hacerlos tan versátiles como las zeolitas para catalizar reacciones en las industrias del petróleo y el gas natural.

Braun modeló estructuras ZTC computacionalmente utilizando las estructuras conocidas de zeolitas, y trabajó con la matemática topológica Senja Barthel de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Sion, Suiza, para determinar a cuál de las superficies mínimas se asemejaban las estructuras.

El equipo determinó que, de las aproximadamente 200 zeolitas creadas hasta la fecha, solo 15 pueden usarse como plantilla para hacer schwarzites, y solo tres de ellos se han utilizado hasta la fecha para producir ZTC de schwarzita. Se han predicho más de un millón de estructuras de zeolita, sin embargo, por lo que podría haber muchas más estructuras de carbono de schwarzita posibles hechas usando el método de plantilla de zeolita.