Un equipo de investigadores de Corea del Sur y China ha descubierto una nueva forma de carbono diferente y único, denominada carbono poroso ordenado de largo alcance (CPOLA).
Las formas de carbono más conocidas son el grafito y el diamante, pero también existen otros alótropos de carbono a nanoescala más exóticos. Entre ellos se encuentran el grafeno y los fullerenos, que son carbonos hibridados sp2 con curvaturas cero (planas) o positivas (en forma de esfera).
Mientras tanto, el carbono hibridizado sp2 con curvatura negativa, denominado schwarzita, se ha propuesto teóricamente, y su descubrimiento ha sido el sueño de algunos científicos en el campo de los materiales de carbono.
Se ha descubierto que el carbono se puede moldear en algunos de los poros periódicos de ciertas zeolitas mediante deposición de vapor, pero el moldeado es incompleto debido a que algunos poros son demasiado estrechos. Esto ha frustrado la fabricación de schwartzitas de carbono mediante rutas de templado.
Investigadores coreanos y chinos
Ahora, un equipo de investigadores del Centro de Materiales de Carbono Multidimensionales del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) de Corea del Sur, dirigido por el Director Rodney Ruoff, y sus colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, dirigidos por el Profesor Yanwu ZHU, han informado en Nature del descubrimiento de la nueva forma de carbono.
"El profesor Ruoff nos explicó su interés por las superficies mínimas triplemente periódicas que describió el matemático Schwartz, y cómo el carbono unido de forma trivalente puede dar lugar, en principio, a estructuras idénticas en las construcciones matemáticas", comenta Zhu, que dirigió el equipo de la USC.
"Ahora se habla de estructuras de carbono schwarzita, que también pueden denominarse carbono de curvatura negativa. Hace años le dije que se trataba de un tema de investigación apasionante y que sería posible encontrar la forma de colaborar en su sugerencia", recuerda.
Fullereno
Esta nueva forma de carbono se produjo utilizando como material base polvo de fullereno C60 (buckminsterfullereno, también llamado "moléculas buckyball"). El C60 se mezcló con alfa-Li3N ("nitruro de litio alfa") y después se calentó a temperaturas moderadas mientras se mantenía a una atmósfera de presión.
Se descubrió que el alfa-Li3N catalizaba la ruptura de algunos de los enlaces carbono-carbono del C60 y que, a continuación, se formaban nuevos enlaces C-C con moléculas de C60 vecinas mediante la transferencia de electrones a las moléculas de C60.
"En este esfuerzo concreto, el profesor Zhu y el equipo del USTC utilizaron un potente agente de transferencia de electrones (alfa-Li3N) para impulsar la formación de un nuevo tipo de carbono partiendo del fullereno cristalino", explica Ruoff.
Para comprender la estructura de esta nueva forma de carbono se utilizaron la difracción de rayos X, la espectroscopia Raman, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de estado sólido con rotación de ángulo mágico, la microscopia electrónica de transmisión con corrección de aberraciones y la dispersión de neutrones.
Métodos experimentales
Las simulaciones numéricas basadas en un tipo de modelado de red neuronal, combinadas con los métodos experimentales antes mencionados, muestran que el nuevo carbono es una estructura metaestable producida durante la transformación de carbonos "tipo fullereno" a "tipo grafeno".
Y conocer sus propiedades eléctricas es importante para dilucidar las posibles aplicaciones de este nuevo tipo de carbono, añaden los investigadores.
"Aunque este nuevo y bello tipo de carbono tiene muchas características fascinantes, no es una schwarzita de carbono así que ese reto experimental sigue en el horizonte --puntualiza Ruoff--. De hecho, este carbono es algo diferente y único: abre posibilidades totalmente nuevas en nuevas direcciones para los materiales de carbono".
Otros carbonos
La preparación de este nuevo tipo de carbono allana el camino para el descubrimiento de otros carbonos cristalinos a partir de C60(s) - y quizás de otros fullerenos como C70, C76, C84, etc. Otra opción interesante sería incluir otro elemento. Esto puede hacerse empezando con los fullerenos "endoédricos", señalan.
Así, el equipo ve posibles aplicaciones en la captación, transformación y almacenamiento de energía; en catálisis para generar productos químicos; y para la separación de iones moleculares o gases.
Otro aspecto importante que destacan los autores del estudio es la escalabilidad de la síntesis. En este sentido, Zhu señala que es fácilmente escalable a escala de kilogramos y, con procesos de producción continuos, puede ser posible alcanzar la producción a escala de toneladas.
Serapio
17/01/2023