La nanoespuma de carbono es un alótropo del carbono descubierto en 1997 por Andrei V. Rode y sus colaboradores en la Universidad Nacional Australiana en Canberra . [1] Consiste en un conjunto de átomos de carbono unidos en una red tridimensional suelta. La estructura de enlace de tipo fractal consta de grupos sp 2 similares a grafito conectados por enlaces sp 3 . Los enlaces sp 3 se encuentran principalmente en la superficie de la estructura y constituyen entre el 15% y el 45% del material, lo que hace que su estructura sea similar a las películas de carbono con forma de diamante . [2]El material es notablemente ligero, con una densidad de 2-10 x 10 −3 g / cm 3 (0,0012 lb / ft 3 ) y es comparable a un aerogel. [1] [3] Otras propiedades físicas notables incluyen la gran superficie (comparable a la de las zeolitas ) de 300 a 400 m 2 / g. [4] Un galón de nanoespuma pesa alrededor de un cuarto de onza. [5]
Cada grupo tiene aproximadamente 6 nanómetros de ancho y consta de aproximadamente 4000 átomos de carbono unidos en láminas similares al grafito a las que se les da una curvatura negativa mediante la inclusión de heptágonos entre el patrón hexagonal regular . Esto es lo contrario de lo que sucede en el caso de los buckminsterfullerenos en los que las láminas de carbono reciben una curvatura positiva mediante la inclusión de pentágonos .
La estructura a gran escala de la nanoespuma de carbono es similar a la de un aerogel , pero con el 1% de la densidad de los aerogeles de carbono producidos anteriormente, o solo unas pocas veces la densidad del aire al nivel del mar . A diferencia de los aerogeles de carbono , la nanoespuma de carbono es un mal conductor eléctrico . La nanoespuma contiene numerosos electrones desapareados , lo que Rode y sus colegas proponen se debe a átomos de carbono con solo tres enlaces que se encuentran en defectos topológicos y de enlace. Esto da lugar a lo que quizás sea la característica más inusual de la nanoespuma de carbono: es atraída por los imanes y por debajo de -183 ° C puede hacerse magnética.
La nanoespuma de carbono es la única forma conocida de carbono puro ferromagnético, lo cual es inusual para un carbono alótropo. [6] El ferromagnetismo es una propiedad intrínseca que se observa en la nanoespuma de carbono y puede explicarse por su compleja estructura. Las impurezas en el material se excluyen como fuente de magnetismo, ya que no son suficientes para la fuerte magnetización observada. Los investigadores postulan que los átomos de carbono incrustados con electrones no apareados llevan suficiente momento magnético para conducir a una fuerte magnetización. [6] La curvatura de la hoja localiza electrones no apareados al romper las nubes de electrones π y protege estéricamente los electrones que normalmente serían demasiado reactivos para persistir. El ferromagnetismo de la nanoespuma de carbono es sensible al tiempo y la temperatura. Se pierde algo de magnetismo en las primeras horas de síntesis, sin embargo, la mayor parte es persistente. [6] La nanoespuma de carbono puede tener alguna aplicación en dispositivos espintrónicos que explotan el espín de los electrones como un mayor grado de libertad .
La nanoespuma de carbono puede ser adecuada para el almacenamiento de hidrógeno debido a su baja densidad y alta superficie. La experimentación preliminar ha demostrado que el hidrógeno se puede almacenar en la nanoespuma a temperatura ambiente en un proceso reversible. [4]
Síntesis
Los grupos de nanoespuma de carbono se pueden sintetizar mediante ablación con láser de alta tasa de repetición en un gas inerte como el argón . Los pulsos cortos ( fs ) y de baja energía (µJ) emitidos a velocidades de alta repetición (10 kHz - 100 MHz) generan vapores de carbono para la deposición. [2] El gas ambiental se calienta desde la temperatura ambiente con el carbono atomizado, lo que conduce a un aumento de la densidad parcial del carbono en la cámara. En condiciones óptimas, el gas inerte no se enfría sino que mantiene su alta temperatura entre ciclos de formación. Los ciclos posteriores en la cámara se llevan a cabo a temperaturas por encima de la temperatura umbral de formación que inicia la unión sp 2 . El aumento de densidad y temperatura promueve condiciones favorables para la formación de racimos carbonosos. La tasa de consumo excede la tasa de evaporación por ablación con láser y, por lo tanto, la formación se encuentra en un estado de desequilibrio.
Ver también
Referencias
- ^ a b Rode, AV; Hyde, ST; Gamaly, EG; Elliman, RG; McKenzie, DR; Bulcock, S. (1999). "Análisis estructural de una espuma de carbono formada por ablación láser de alta frecuencia de pulso". Física aplicada A: Ciencia y procesamiento de materiales . 69 (7): S755 – S758. Código Bibliográfico : 1999ApPhA..69S.755R . doi : 10.1007 / s003390051522 .
- ^ a b Rode, AV; Gamaly, EG; Luther-Davies, B. (1 de febrero de 2000). "Formación de nanoespuma de carbono ensamblada en racimo por ablación láser de alta tasa de repetición". Un Física Aplicada . 70 (2): 135-144. Código Bibliográfico : 2000ApPhA..70..135R . doi : 10.1007 / s003390050025 . hdl : 1885/35128 . ISSN 1432-0630 .
- ^ Zani, A .; Dellasega, D .; Russo, V .; Passoni, M. (2013). "Espumas de carbono de densidad ultrabaja producidas por deposición por láser pulsado". Carbono . 56 : 358–365. doi : 10.1016 / j.carbon.2013.01.029 .
- ^ a b Blinc, R .; Arčon, D .; Umek, P .; Apih, T .; Milia, F .; Rode, AV (2007). "Nanoespuma de carbono como potencial material de almacenamiento de hidrógeno". Physica Status Solidi B . 244 (11): 4308–4310. Código bibliográfico : 2007PSSBR.244.4308B . doi : 10.1002 / pssb.200776149 . ISSN 1521-3951 .
- ^ Kenneth Chang (6 de abril de 2004). "Un nuevo carbón escamoso: es muy ligero y magnético" . The New York Times .
- ^ a b c Rode, AV; Gamaly, EG; Christy, AG; Fitz Gerald, JG; Hyde, ST; Elliman, RG; Luther-Davies, B .; Veinger, AI; Androulakis, J .; Giapintzakis, J. (17 de agosto de 2004). "Magnetismo no convencional en nanoespuma de carbono". Physical Review B . 70 (5): 054407. arXiv : cond-mat / 0310751 . Código Bibliográfico : 2004PhRvB..70e4407R . doi : 10.1103 / PhysRevB.70.054407 .