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.
La 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 buscadas durante mucho tiempo, que los investigadores predicen que tendrán propiedades eléctricas y de almacenamiento únicas como las que ahora se descubren en buckminsterfullerenesbuckyballs o fullerenos para abreviar, nanotubos y grafeno.
Las nuevas estructuras se construyeron dentro de los poros de las zeolitas, formas cristalinas de dióxido de silicio - arena - más comúnmente utilizadas como ablandadores de agua en detergentes para la ropa y para romper catalíticamente el petróleo en gasolina. Llamados carbones con plantilla de zeolita ZTC,Las estructuras estaban siendo investigadas por posibles propiedades interesantes, aunque los creadores desconocían su identidad como schwarzitas, en las que los químicos teóricos han trabajado durante décadas.
Con base en este trabajo teórico, los químicos predicen que las schwarzitas tendrán propiedades electrónicas, magnéticas y ópticas únicas que las harían útiles como supercondensadores, electrodos de batería y catalizadores, y con grandes espacios internos ideales para el almacenamiento y separación de gases.
El becario postdoctoral de UC Berkeley Efrem Braun y sus colegas identificaron estos materiales ZTC como schwarzitas en función de su curvatura negativa, y desarrollaron una forma de predecir qué zeolitas se pueden usar para hacer schwarzitas y cuáles no.
"Ahora tenemos la receta de cómo hacer estas estructuras, lo cual es importante porque, si podemos hacerlas, podemos explorar su comportamiento, por lo que estamos trabajando arduamente ahora", dijo Berend Smit, profesor adjunto deingeniería química y biomolecular en UC Berkeley y un experto en materiales porosos como zeolitas y estructuras metal-orgánicas.
Smit, el autor correspondiente del artículo, Braun y sus colegas en Suiza, China, Alemania, Italia y Rusia informarán su descubrimiento esta semana en la revista Actas 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 diseño similar al alambre de gallina. El grafeno es uno de esos arreglos: una lámina plana de carbonoátomos que no solo es el material más fuerte en la Tierra, sino que 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 en forma de pelota de fútbol, jaulas esféricas de carbono que pueden almacenar moléculas y se utilizan hoy para administrar drogas y genes en el cuerpo. El rodamiento de grafeno en un cilindro produce fullerenos llamados nanotubos, que sonsiendo explorado hoy como alambres altamente conductores en electrónica y recipientes de almacenamiento de gases como hidrógeno y dióxido de carbono. Todos estos son submicroscópicos, 10,000 veces más pequeños que el ancho de un cabello humano.
Hasta la fecha, sin embargo, solo se han sintetizado fullerenos y grafeno positivamente curvados, que tienen curvatura cero, hazañas recompensadas por los 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 las superficies de burbujas de jabón, y cuando el trabajo teórico sobre las moléculas de la jaula de carbono aumentó en la década de 1990, el nombre de Schwarz se unió a las hipotéticas láminas de carbono curvadas negativamente.
"La validación experimental de las schwarzitas completa el triunvirato de posibles curvaturas al grafeno; positivamente curvado, plano y ahora negativamente curvado", agregó Braun.
Minimizarme
Al igual que las pompas de jabón en los 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, lo que permite que el carbono se ensamble en una lámina bidimensional similar al grafeno que recubre las paredesporos en 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. La zeolita se disuelve, dejando atrás la schwarzita.
"Estos carbonos curvados negativamente han sido muy difíciles de sintetizar por sí mismos, pero resulta que se puede hacer crecer la película de carbono catalíticamente en la superficie de una zeolita", dijo Braun. "Pero las schwarzitas sintetizadas hasta la fecha han sido sintetizadas".hecho eligiendo plantillas de zeolita a través de prueba y error. Proporcionamos instrucciones muy simples que puede seguir para hacer racionalmente schwarzitas y mostramos que, al elegir la zeolita correcta, puede ajustar schwarzitas para optimizar las propiedades que desea ".
Los investigadores deberían poder empaquetar cantidades inusualmente grandes de carga eléctrica en schwarzitas, lo que los haría mejores condensadores que los convencionales utilizados actualmente en electrónica. Su gran volumen interior también permitiría el almacenamiento de átomos y moléculas, que también se está explorando confullerenos y nanotubos. Y su gran área de 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 usando 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 cuál de las superficies mínimas se parecían a las estructuras.
El equipo determinó que, de las aproximadamente 200 zeolitas creadas hasta la fecha, solo 15 se pueden usar como plantilla para hacer schwarzitas, y solo tres de ellas se han usado hasta la fecha para producir ZTC de schwarzita. Se han utilizado más de un millón de estructuras de zeolitapredicho, sin embargo, por lo que podría haber muchas más posibles estructuras de carbono de schwarzita hechas usando el método de plantilla de zeolita.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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