Los grafenos tridimensionales desordenados son materiales de carbono presentes en las baterías, filtros de agua, Máscara de gas, cerámica de alta temperatura, Sensores electroquímicos y aislamiento. También tienen usos más especializados, como proteger la nave espacial de la sonda solar Parker para que no se queme al acercarse al sol.

Rosalind Franklin, el científico que más tarde deduciría la geometría helicoidal del ADN, descubrió por primera vez esta clase de materiales en 1951. La mayoría de los materiales que contienen carbono desarrollan pequeñas capas de grafeno cuando se calientan. Al calentar aún más, a miles de grados, ella encontró (para su sorpresa) una total renuencia de los carbonos a convertirse en la forma más estable de grafito de carbono, haciéndolo supremamente metaestable.

Las explicaciones de esta renuencia a grafitizar se han centrado en los enlaces cruzados dentro de la estructura, estructuras anudadas en forma de cinta o deformación de las hojas en geometrías en forma de cuenco o silla de montar. Sin embargo, Los experimentos no pudieron resolver y combinar estas sugerencias en un modelo coherente de la nanoestructura.

Investigadores de la Universidad de Curtin, Australia y la Universidad de Cambridge han publicado ahora una posible solución al problema de Franklin en Cartas de revisión física . Recurrieron a simulaciones a gran escala utilizando la supercomputadora Pawsey de Australia para autoensamblar las redes más grandes y precisas de grafenos tridimensionales desordenados hasta la fecha.

Desarrollaron una nueva medida para la curvatura global de las redes y encontraron que para todas las densidades, hay un exceso de láminas de grafeno en forma de silla de montar. Estas formas de silla de montar son causadas por la integración de anillos de 7 u 8 miembros dentro de la red de grafeno hexagonal. Esta deformación le permite conectarse en 3-D y los investigadores sugieren que es la causa de la resistencia del material a convertirse en grafito.

¿Qué hay de las pequeñas regiones de grafeno en capas de Franklin? Los investigadores encontraron que al aumentar la densidad del material, las láminas de grafeno se enrollaron como una escalera de caracol. Este defecto de tornillo o hélice es bien conocido en el grafito, pero no se ha sugerido en estos materiales desordenados. Se descubrieron una variedad de otros defectos, que resuelven muchos problemas de la red de grafeno tanto curvada como en capas.

Estos resultados abren posibilidades para comprender y diseñar materiales de carbono para aplicaciones en supercondensadores, fibras de carbono y aplicaciones de cerámica de alta temperatura. Sin embargo, Se necesita más trabajo para confirmar experimentalmente algunos aspectos del modelo.

En términos de nuevas aplicaciones, los investigadores sugieren que los materiales de carbono podrían ajustarse y optimizarse topológicamente para un producto determinado. Por ejemplo, y de particular importancia industrial para la fabricación de baterías y electrodos, los carbones desordenados podrían transformarse en grafito (en lugar de depender de prácticas mineras insostenibles).

Existe una conexión agradable con el trabajo posterior de Franklin sobre el ADN en el sentido de que la solución a su problema anterior de no grafitizabilidad en materiales de carbono también podría estar en la topología y la famosa estructura de hélice.