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Carbono amorfo misterioso: por que sua estrutura é tão única?
Na ciência dos materiais e na química moderna, o carbono amorfo, como uma forma especial de carbono, tem atraído a atenção de inúmeros pesquisadores. Este tipo de carbono é o único que não possui nenhuma estrutura cristalina, o que o torna um material muito flexível e mutável. O carbono amorfo é frequentemente referido simplesmente como aC e, quando combinado com hidrogênio, é chamado de aC:H ou carbono amorfo hidrogenado (HAC), enquanto o carbono amorfo tetraédrico é chamado de ta-C, também conhecido como quase-C:H ou hidrogenado); carbono amorfo (HAC). No campo da ciência física, o estudo do carbono amorfo revelou uma variedade de aplicações potenciais, desde dispositivos eletrônicos até biomedicina. As características únicas do carbono amorfo fazem dele um material que vale a pena explorar em profundidade.
Materiais de carbono amorfo podem eliminar as ligações π nos cantos combinando-se com hidrogênio, estabilizando assim sua estrutura.
Na mineralogia, o termo carbono amorfo é usado para descrever carvão, carbono derivado de carboneto e outras formas impuras de carbono. Estas substâncias não são grafite ou diamante típicos. Embora esses materiais não sejam completamente amorfos cristalograficamente, geralmente são materiais policristalinos com grafite ou diamante. Em aplicações comerciais, o carbono amorfo muitas vezes também contém outros elementos que podem formar impurezas cristalinas significativas, complicando ainda mais as propriedades do carbono amorfo.
Com o desenvolvimento de tecnologias modernas de deposição e crescimento de filmes finos na segunda metade do século 20, como deposição química de vapor, deposição por pulverização catódica e deposição por arco catódico, foram criados materiais de carbono verdadeiramente amorfos. Esses materiais possuem elétrons pi localizados, que não são formados em comprimentos consistentes com outros alótropos de carbono, em comparação com as ligações pi aromáticas da grafite. O carbono amorfo também contém ligações pendentes relativamente altas, o que pode causar desvios nas distâncias interatômicas de mais de 5%, e também podem ser observadas mudanças significativas nos ângulos de ligação.
As propriedades dos filmes de carbono amorfo variam dependendo dos parâmetros utilizados durante a deposição.
O principal método de caracterização do carbono amorfo é medir a proporção de ligações mistas sp2 e sp3 no material. A grafite é composta inteiramente por ligações mistas sp2, enquanto o diamante é composto inteiramente por ligações mistas sp3. Quando a proporção de ligações mistas sp3 no material é alta, esse tipo de carbono amorfo também é chamado de carbono amorfo tetraédrico ou carbono semelhante ao diamante. Isso ocorre porque o formato quadrilateral formado pelas ligações mistas sp3 faz com que esse tipo de material tenha muitas propriedades físicas semelhantes às do diamante. Experimentalmente, a proporção de sp2 para sp3 pode ser determinada comparando as intensidades relativas de diferentes picos espectrais, incluindo espectros EELS, XPS e Raman.
Curiosamente, embora a mudança de propriedade unidimensional de materiais de carbono amorfo entre grafite e diamante possa ser mostrada com base na razão de sp2 para sp3, esta afirmação não é realmente verdadeira. A pesquisa atual está fornecendo insights sobre as propriedades e aplicações potenciais de materiais de carbono amorfo. Não se pode ignorar que os PAH, alcatrão, estão presentes em grandes quantidades em entidades de carbono hidrogenado encontradas na vida quotidiana (por exemplo, fumo, pó de chaminé, carvões extraídos como betume e antracite) e são, portanto, quase todos cancerígenos.
Além disso, pesquisas nos últimos anos também introduziram um novo material de carbono amorfo chamado carbono Q. O carbono Q, conhecido como carbono recozido, é considerado ferromagnético, condutor, ainda mais duro que o diamante e capaz de demonstrar supercondutividade em alta temperatura. Em 2015, um professor chamado Jagdish Narayan e sua equipe de pesquisa anunciaram pela primeira vez a descoberta do carbono Q. Eles publicaram muitos artigos sobre a síntese e caracterização do carbono Q, mas vários anos depois, as propriedades desta substância ainda não foram verificadas por experimentos independentes.
De acordo com os pesquisadores, o carbono Q exibe uma estrutura amorfa aleatória e está entrelaçado em ligações sp2 e sp3.
A equipe usou pulsos de laser de nanossegundos para derreter o carbono e, em seguida, resfriou-o rapidamente para formar carbono Q ou uma mistura de carbono Q e diamante. O material pode assumir muitas formas, desde estruturas semelhantes a nanoagulhas até grandes filmes de diamante. Eles também relataram a fabricação de materiais como nanodiamantes com vacância de nitrogênio e nitreto de Q-boro, e a criação de tecnologia para converter carbono em diamante à temperatura e pressão ambientes. Embora em 2018, um grupo de pesquisadores da Universidade do Texas em Austin tenha usado simulações para propor uma explicação teórica para a supercondutividade, ferromagnetismo e dureza de alta temperatura do carbono Q, esses resultados não foram confirmados por outros.
De qualquer forma, a pesquisa sobre carbono amorfo continua a ser aprofundada e esta forma especial de material de carbono tem um grande potencial. Como é que o desenvolvimento futuro afetará as nossas vidas e a tecnologia? Talvez só o tempo nos possa dar a resposta?
