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Il misterioso carbonio amorfo: perché la sua struttura è così unica?
Nella scienza dei materiali e nella chimica moderna, il carbonio amorfo, come forma speciale di carbonio, ha attirato l'attenzione di innumerevoli ricercatori. Questo tipo di carbonio è unico in quanto non ha alcuna struttura cristallina, il che lo rende un materiale molto flessibile e mutevole. Il carbonio amorfo è spesso indicato semplicemente come aC e, quando combinato con l'idrogeno, è chiamato aC:H o carbonio amorfo idrogenato (HAC); mentre il carbonio amorfo tetraedrico è chiamato ta-C, noto anche come quasi-C:H o idrogenato carbonio amorfo (HAC). Nel campo delle scienze fisiche, lo studio del carbonio amorfo ha rivelato una varietà di potenziali applicazioni, dai dispositivi elettronici alla biomedicina. Le caratteristiche uniche del carbonio amorfo lo rendono un materiale che vale la pena esplorare in profondità.
I materiali amorfi di carbonio possono eliminare i legami π agli angoli combinandosi con l'idrogeno, stabilizzando così la loro struttura.
In mineralogia, il termine carbonio amorfo viene utilizzato per descrivere carbone, carbonio derivato da carburi e altre forme impure di carbonio. Queste sostanze non sono la tipica grafite o il diamante. Sebbene questi materiali non siano completamente amorfi dal punto di vista cristallografico, sono spesso materiali policristallini con grafite o diamante. Nelle applicazioni commerciali, il carbonio amorfo spesso contiene anche altri elementi che possono formare significative impurità cristalline, complicando ulteriormente le proprietà del carbonio amorfo.
Con lo sviluppo delle moderne tecnologie di deposizione e crescita di film sottili nella seconda metà del XX secolo, come la deposizione chimica da vapore, la deposizione per polverizzazione catodica e la deposizione ad arco catodico, sono stati creati materiali di carbonio veramente amorfi. Questi materiali possiedono elettroni pi localizzati, che non si formano a lunghezze costanti con altri allotropi del carbonio, rispetto ai legami pi aromatici della grafite. Il carbonio amorfo contiene anche legami pendenti relativamente alti, che possono causare deviazioni nelle distanze interatomiche superiori al 5% e si possono osservare anche cambiamenti significativi negli angoli di legame.
Le proprietà dei film di carbonio amorfo variano a seconda dei parametri utilizzati durante la deposizione.
Il metodo principale di caratterizzazione del carbonio amorfo consiste nel misurare il rapporto tra i legami misti sp2 e sp3 nel materiale. La grafite è composta interamente da legami misti sp2, mentre il diamante è composto interamente da legami misti sp3. Quando la proporzione di legami misti sp3 nel materiale è elevata, questo tipo di carbonio amorfo è anche chiamato carbonio amorfo tetraedrico o carbonio simile al diamante. Questo perché la forma quadrilatera formata da legami misti sp3 fa sì che questo tipo di materiale abbia molte proprietà fisiche simili ai diamanti. Sperimentalmente, il rapporto tra sp2 e sp3 può essere determinato confrontando le intensità relative di diversi picchi spettrali, inclusi gli spettri EELS, XPS e Raman.
È interessante notare che, sebbene il cambiamento delle proprietà unidimensionali dei materiali di carbonio amorfo tra grafite e diamante possa essere dimostrato in base al rapporto tra sp2 e sp3, questa affermazione in realtà non è vera. La ricerca attuale sta fornendo informazioni sulle proprietà e sulle potenziali applicazioni dei materiali di carbonio amorfo. Non si può ignorare che gli IPA, il catrame, sono presenti in grandi quantità nelle entità di carbonio idrogenato presenti nella vita di tutti i giorni (ad esempio fumo, polvere di camini, carboni estratti come bitume e antracite) e sono quindi quasi tutti cancerogeni.
Inoltre, la ricerca degli ultimi anni ha introdotto anche un nuovo materiale di carbonio amorfo chiamato Q-carbon. Si ritiene che il Q-carbon, denominato carbonio ricotto, sia ferromagnetico, conduttivo, persino più duro del diamante e in grado di dimostrare superconduttività ad alta temperatura. Nel 2015, un professore di nome Jagdish Narayan e il suo gruppo di ricerca hanno annunciato per la prima volta la scoperta del Q-carbon. Hanno pubblicato molti articoli sulla sintesi e la caratterizzazione del Q-carbonio, ma diversi anni dopo le proprietà di questa sostanza non sono state ancora verificate da esperimenti indipendenti.
Secondo i ricercatori, il Q-carbonio presenta una struttura amorfa casuale ed è intrecciato nei legami sp2 e sp3.
Il loro team ha utilizzato impulsi laser di nanosecondi per sciogliere il carbonio e poi lo ha raffreddato rapidamente per formare Q-carbonio o una miscela di Q-carbonio e diamante. Il materiale può assumere molte forme, da strutture simili a nanoaghi a grandi pellicole diamantate. Hanno anche riferito di aver realizzato materiali come nanodiamanti con posti di azoto vacanti e nitruro di boro Q e di aver creato una tecnologia per convertire il carbonio in diamante a temperatura e pressione ambiente. Sebbene nel 2018, un gruppo di ricercatori dell’Università del Texas ad Austin abbia utilizzato simulazioni per proporre una spiegazione teorica per la superconduttività ad alta temperatura, il ferromagnetismo e la durezza del Q-carbon, questi risultati non sono stati confermati da altri.
In ogni caso, la ricerca sul carbonio amorfo continua ad essere approfondita e questa speciale forma di materiale di carbonio ha un grande potenziale. In che modo lo sviluppo futuro influenzerà le nostre vite e la tecnologia? Forse solo il tempo potrà darci la risposta?
