Nanocone de carbono

Imágenes SEM de un disco de carbono (imagen superior izquierda) y nanoconos de carbono huecos independientes producidos por pirólisis de petróleo pesado en el proceso Kvaerner Carbon Black & Hydrogen. El diámetro máximo es de aproximadamente 1 micrómetro. ^[1]

Las nanocononas de carbono son estructuras cónicas que están hechas predominantemente de carbono y que tienen al menos una dimensión del orden de un micrómetro o menos. Los nanoconos tienen altura y diámetro de base del mismo orden de magnitud; esto los distingue de los nanocables con punta que son mucho más largos que su diámetro. Las nanoconas se encuentran en la superficie del grafito natural . Las nanocononas de carbono huecas también se pueden producir mediante la descomposición de hidrocarburos con un soplete de plasma . La microscopía electrónica revela que el ángulo de apertura ( vértice) de los conos no es arbitrario, pero tiene valores preferidos de aproximadamente 20 °, 40 ° y 60 °. Esta observación fue explicada por un modelo de la pared del cono compuesto por láminas de grafeno envueltas , donde el requisito geométrico para una conexión perfecta explicaba naturalmente el carácter semidiscreto y los valores absolutos del ángulo del cono. Una nanoforma de carbono relacionada es el nanocuerno de carbono de pared simple que normalmente forma agregados de 80 a 100 nm de tamaño.

Conos huecos autoportantes

Historia y síntesis

Las nanoconas de carbono se producen en un proceso industrial que descompone los hidrocarburos en carbono e hidrógeno con un soplete de plasma que tiene una temperatura de plasma superior a 2000 ° C. Este método a menudo se conoce como Proceso de negro de carbón e hidrógeno de Kvaerner (CBH) y está relativamente "libre de emisiones", es decir, produce una cantidad bastante pequeña de contaminantes del aire . En determinadas condiciones bien optimizadas y patentadas, ^[2] la salida de carbono sólido consta de aproximadamente un 20% de nanoconos de carbono, un 70% de discos planos de carbono y un 10% de negro de carbono . ^[1]

La descomposición de hidrocarburos asistida por plasma se conoce desde hace mucho tiempo y se aplica, por ejemplo, para la producción de fullerenos de carbono . Incluso si no está optimizado, produce pequeñas cantidades de nanoconos de carbono, que ya se habían observado directamente con un microscopio electrónico en 1994, ^[3] y su estructura atómica se modeló teóricamente el mismo año. ^{[4] [5]}

Modelo atómico de un cono con un ángulo de vértice de 38,9 °. ^[1]

Modelado

Distribución estadística de los valores de ápice medidos en 1700 nanoconos huecos. ^[6]

El cono de carbono abierto se puede modelar como una hoja de grafeno envuelta . Para tener un envoltorio sin costuras y sin tensiones, se debe cortar un sector de la hoja. Ese sector debe tener un ángulo de n  × 60 °, donde n  = 1, ..., 5. Por lo tanto, el ángulo del cono resultante debe tener solo ciertos valores discretos α  = 2 arcsin (1 -  n / 6) = 112.9 ° , 83,6 °, 60,0 °, 38,9 ° y 19,2 ° para n  = 1, ..., 5, respectivamente. La hoja de grafeno está compuesta únicamente por hexágonos de carbono que no pueden formar una tapa cónica continua. Como en los fullerenos, los pentágonos deben agregarse para formar una punta de cono curvo, y su número es correspondientemente  n = 1, ..., 5. ^[1]

Observación

Las observaciones de microscopía electrónica confirman la predicción del modelo de ángulos de cono discretos. Sin embargo, se deben considerar dos artefactos experimentales: (i) la carga de las muestras de carbono de mala conducción bajo un haz de electrones, que difumina las imágenes y (ii) que las observaciones de microscopía electrónica con una inclinación fija de la muestra solo producen una proyección bidimensional mientras que una forma 3D se requiere. El primer obstáculo se supera recubriendo los conos con una capa de metal de unos pocos nanómetros de espesor. El segundo problema se resuelve mediante un análisis de forma geométrica. Combinado con estadísticas significativas sobre el número de conos, produce ángulos de vértice semidiscretos. Sus valores se desvían de la predicción en aproximadamente un 10% debido a la precisión de medición limitada y la ligera variación del espesor del cono a lo largo de su longitud. ^[1]

Imagen de un filtro de café que ilustra una de las estructuras anómalas en el crecimiento de los nanoconos de carbono.

El valor absoluto del espesor de la pared del cono varía entre 10 y 30 nm, pero puede ser tan grande como 80 nm para algunas nanoconas. Para dilucidar la estructura de las paredes del cono, se registraron patrones de difracción de electrones en diferentes orientaciones del cono. Su análisis sugiere que las paredes contienen entre un 10 y un 30% de material ordenado cubierto con carbono amorfo. La microscopía electrónica de alta resolución revela que la fase ordenada consta de capas casi paralelas de grafeno. ^[6] La fracción amorfa se puede convertir en grafito bien ordenado recociendo los conos a temperaturas de aproximadamente 2700 ° C. ^[1]

La característica notable de las nanoconas de carbono abiertas producidas por el proceso CBH es su forma casi ideal, con paredes rectas y bases circulares. También se observan conos no ideales, pero estas son excepciones. Una de esas desviaciones fue un cono "doble", que parecía como si un cono comenzara a crecer desde su punta con un cierto ángulo de vértice (por ejemplo, 84 °), pero luego cambió abruptamente el ángulo de vértice (por ejemplo, a 39 °) en un solo punto en su superficie, produciendo así una rotura en la sección transversal observada del cono. Otra anomalía fue un cono con el ápice extendido desde un punto a un segmento de línea, como en el filtro de café expandido (la forma plana se muestra en la imagen). ^[1]

Distribución estadística de los valores del ápice medidos en 554 conos cultivados en grafito natural. ^[7]

Otros conos

También se han observado conos de carbono, desde 1968 o incluso antes, ^[8] en la superficie del grafito natural. Sus bases están adheridas al grafito y su altura varía entre menos de 1 y 40 micrómetros. Sus paredes suelen ser curvas y menos regulares que las de los nanoconos fabricados en el laboratorio. La distribución de su ángulo de vértice también muestra una característica fuerte a 60 °, pero otros picos esperados, a 20 ° y 40 °, son mucho más débiles y la distribución es algo más amplia para ángulos grandes. Esta diferencia se atribuye a la diferente estructura de la pared de los conos naturales. Esas paredes son relativamente irregulares y contienen numerosos defectos de línea ( declinaciones de cuña positiva). Esto rompe el requisito angular para un cono sin costuras y, por lo tanto, amplía la distribución angular. ^[7]

Aplicaciones potenciales

Micrografías secuenciales de electrones que muestran el proceso de tapar una aguja de oro con un nanocone de carbono CBH (arriba a la izquierda) ^[9]

Se han utilizado nanoconos de carbono para tapar agujas de oro ultrafinas. Estas agujas se utilizan ampliamente en microscopía de sonda de barrido debido a su alta estabilidad química y conductividad eléctrica, pero sus puntas son propensas al desgaste mecánico debido a la alta plasticidad del oro. La adición de una fina tapa de carbono estabiliza mecánicamente la punta sin sacrificar sus otras propiedades. ^[9]

Referencias

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Nanocones .

1. Naess, Stine Nalum; Elgsaeter, Arnljot; Helgesen, Geir; Knudsen, Kenneth D (2009). "Nanoconas de carbono: estructura y morfología de la pared" . Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 10 (6): 065002. Código Bibliográfico : 2009STAdM..10f5002N . doi : 10.1088 / 1468-6996 / 10/6/065002 . PMC  5074450 . PMID  27877312 .
2. EP 1017622 , Lynum S, Hugdahl J, Hox K, Hildrum R y Nordvik M, "Producción de partículas de microdominio mediante el uso de un proceso de plasma", publicado el 12 de julio de 2000 
3. Ge, Maohui; Sattler, Klaus (1994). "Observación de conos fullerenos". Letras de física química . 220 (3-5): 192. Bibcode : 1994CPL ... 220..192G . doi : 10.1016 / 0009-2614 (94) 00167-7 .
4. Terrones, Humberto (1994). "Grafito curvo y sus transformaciones matemáticas". Revista de Química Matemática . 15 : 143. doi : 10.1007 / BF01277556 .
5. Balaban, A; Klein, D; Liu, X (1994). "Conos de grafito". Carbono . 32 (2): 357. doi : 10.1016 / 0008-6223 (94) 90203-8 .
6. Krishnan, A .; Dujardin, E .; Treacy, MMJ; Hugdahl, J .; Lynum, S .; Ebbesen, TW (1997). "Conos grafíticos y nucleación de superficies de carbono curvas" . Naturaleza . 388 (6641): 451. Bibcode : 1997Natur.388..451K . doi : 10.1038 / 41284 .
7. Jaszczak, J (2003). "Conos de grafito de origen natural" (PDF) . Carbono . 41 (11): 2085. doi : 10.1016 / S0008-6223 (03) 00214-8 .
8. Gillot, J; Bollmann, W; Lux, B (1968). "181. Cristales cónicos de grafito en forma de cigarro". Carbono . 6 (2): 237. doi : 10.1016 / 0008-6223 (68) 90485-5 .
9. Cano-Marquez, Abraham G .; Schmidt, Wesller G .; Ribeiro-Soares, Jenaina; Gustavo Cançado, Luiz; Rodrigues, Wagner N .; Santos, Adelina P .; Furtado, Clascidia A .; Autreto, Pedro AS; Paupitz, Ricardo; Galvão, Douglas S .; Jorio, Ado (2015). "Estabilidad mecánica mejorada de los nanotips de oro a través de la encapsulación de nanoconos de carbono" . Informes científicos . 5 : 10408. Código Bibliográfico : 2015NatSR ... 510408C . doi : 10.1038 / srep10408 . PMC 4470435 . PMID 26083864 .