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Carbón amorfo misterioso: ¿por qué su estructura es tan única?
En la ciencia de los materiales y la química moderna, el carbono amorfo, como forma especial de carbono, ha atraído la atención de innumerables investigadores. Este tipo de carbono es único porque no tiene ninguna estructura cristalina, lo que lo convierte en un material muy flexible y cambiante. El carbono amorfo a menudo se denomina simplemente aC, y cuando se combina con hidrógeno, se llama aC:H o carbono amorfo hidrogenado (HAC), mientras que el carbono amorfo tetraédrico se llama ta-C, también conocido como cuasi-C:H o hidrogenado; Carbono amorfo (HAC). Carbono de diamante. En el campo de la ciencia física, el estudio del carbono amorfo ha revelado una variedad de aplicaciones potenciales, desde dispositivos electrónicos hasta biomedicina. Las características únicas del carbono amorfo lo convierten en un material que vale la pena explorar en profundidad.
Los materiales de carbono amorfo pueden eliminar los enlaces π en las esquinas combinándolos con hidrógeno, estabilizando así su estructura.
En mineralogía, el término carbono amorfo se utiliza para describir el carbón, el carbono derivado de carburos y otras formas impuras de carbono. Estas sustancias no son el típico grafito o diamante. Si bien estos materiales no son completamente amorfos cristalográficamente, a menudo son materiales policristalinos con grafito o diamante. En aplicaciones comerciales, el carbono amorfo a menudo también contiene otros elementos que pueden formar impurezas cristalinas importantes, lo que complica aún más las propiedades del carbono amorfo.
Con el desarrollo de tecnologías modernas de crecimiento y deposición de películas delgadas en la segunda mitad del siglo XX, como la deposición química de vapor, la deposición por pulverización catódica y la deposición por arco catódico, se crearon materiales de carbono verdaderamente amorfos. Estos materiales poseen electrones pi localizados, que no se forman en longitudes consistentes con otros alótropos del carbono, en comparación con los enlaces pi aromáticos del grafito. El carbono amorfo también contiene enlaces colgantes relativamente altos, que pueden provocar desviaciones en las distancias interatómicas de más del 5%, y también se pueden observar cambios significativos en los ángulos de los enlaces.
Las propiedades de las películas de carbono amorfo varían según los parámetros utilizados durante la deposición.
El principal método de caracterización del carbono amorfo es medir la proporción de enlaces mixtos sp2 y sp3 en el material. El grafito está compuesto enteramente por enlaces mixtos sp2, mientras que el diamante está compuesto enteramente por enlaces mixtos sp3. Cuando la proporción de enlaces mixtos sp3 en el material es alta, este tipo de carbono amorfo también se denomina carbono amorfo tetraédrico o carbono tipo diamante. Esto se debe a que la forma de cuatro lados que forman los enlaces mixtos sp3 hace que este tipo de material tenga muchas propiedades físicas similares a los diamantes. Experimentalmente, la relación entre sp2 y sp3 se puede determinar comparando las intensidades relativas de diferentes picos espectrales, incluidos los espectros EELS, XPS y Raman.
Curiosamente, aunque el cambio de propiedad unidimensional de los materiales de carbono amorfo entre grafito y diamante se puede mostrar basándose en la proporción de sp2 a sp3, esta afirmación no es realmente cierta. Las investigaciones actuales están proporcionando información sobre las propiedades y aplicaciones potenciales de los materiales de carbono amorfo. No se puede ignorar que los HAP, los alquitranes, están presentes en grandes cantidades en los compuestos de carbono hidrogenados cotidianos (por ejemplo, humo, polvo de chimenea, carbones mineros como el betún y la antracita) y, por lo tanto, son casi todos cancerígenos.
Además, la investigación de los últimos años también ha introducido un nuevo material de carbono amorfo llamado Q-carbon. Se afirma que el carbono Q, denominado carbono recocido, es ferromagnético, conductor, incluso más duro que el diamante y capaz de demostrar superconductividad a altas temperaturas. En 2015, un profesor llamado Jagdish Narayan y su equipo de investigación anunciaron por primera vez el descubrimiento del carbono Q. Publicaron muchos artículos sobre la síntesis y caracterización del carbono Q, pero varios años después, las propiedades de esta sustancia aún no han sido verificadas mediante experimentos independientes.
Según los investigadores, el carbono Q exhibe una estructura amorfa aleatoria y está entrelazado en enlaces sp2 y sp3.
Su equipo utilizó pulsos láser de nanosegundos para derretir el carbono y luego lo enfrió rápidamente para formar carbono Q o una mezcla de carbono Q y diamante. El material puede adoptar muchas formas, desde estructuras similares a nanoagujas hasta grandes películas de diamante. También informaron sobre la fabricación de materiales como nanodiamantes con nitrógeno vacante y nitruro de boro Q, y la creación de tecnología para convertir carbono en diamante a temperatura y presión ambiente. Aunque en 2018, un grupo de investigadores de la Universidad de Texas en Austin utilizó simulaciones para proponer una explicación teórica para la superconductividad, el ferromagnetismo y la dureza del carbono Q a alta temperatura, estos resultados no han sido confirmados por otros.
En cualquier caso, la investigación sobre el carbono amorfo continúa siendo profunda y esta forma especial de material de carbono tiene un gran potencial. ¿Cómo afectará el desarrollo futuro a nuestras vidas y a nuestra tecnología? ¿Quizás sólo el tiempo pueda darnos la respuesta?
