Un nanohilo de carbono (también llamado nanohilo de diamante ) es un nanomaterial cristalino de carbono unidimensional unido a sp 3 . El enlace tetraédrico sp 3 de su carbono es similar al del diamante . Los nanotilos tienen solo unos pocos átomos de diámetro, más de 20.000 veces más delgados que un cabello humano . Consisten en un núcleo de carbono fuerte y rígido rodeado por átomos de hidrógeno. Los nanotubos de carbono , aunque también son nanomateriales unidimensionales, por el contrario tienen enlaces sp 2 -carbono como se encuentra en el grafito. El nanohilo de carbono más pequeño tiene un diámetro de solo 0,2 nanómetros, mucho más pequeño que el diámetro de un nanotubo de carbono de pared simple. [1]
Los nanohilos se sintetizan comprimiendo benceno líquido a una presión extrema de 20 GPa (alrededor de 200.000 veces la presión del aire en la superficie de la Tierra ) y luego aliviando lentamente esa presión. [2] La reacción de síntesis mecanoquímica [3] puede considerarse una forma de química orgánica del estado sólido . Las cadenas de benceno forman anillos de carbono extremadamente delgados y apretados que son estructuralmente similares a los diamantes. [4] Investigadores de la Universidad de Cornell han rastreado rutas desde el benceno hasta los nanohilos, que pueden involucrar una serie de cicloadición orgánica [4 + 2].reacciones a lo largo de pilas de moléculas de benceno, seguidas de una reacción adicional de enlaces insaturados. [5] Recientemente se ha informado de la síntesis de matrices macroscópicas de monocristales de nanohebras de cientos de micrones de tamaño. [3] El orden y la ausencia de límites de grano en los monocristales es a menudo muy deseable porque facilita tanto las aplicaciones como la caracterización. Por el contrario, los nanotubos de carbono solo forman finas cuerdas cristalinas. El control de la velocidad de compresión y / o descompresión parece ser importante para la síntesis de nanohilos policristalinos y monocristalinos. [2] [3] La compresión / descompresión lenta puede favorecer las vías de reacción de baja energía. [3]Si la presión de síntesis de nanohilos se puede reducir a 5 a 6 GPa, que es la presión utilizada para la síntesis de diamante industrial , sería posible una producción a gran escala de> 10 6 kg / año. El reciente avance en el uso de moléculas tensas en forma de jaula como el cubano como precursor ha logrado reducir la presión de síntesis a 12 GPa. La expansión de la biblioteca de precursores a moléculas tensas no aromáticas ofrece nuevas vías para explorar la producción escalable de nanohilos de carbono. [6]
La formación de cristales de nanohilos parece estar guiada por tensión uniaxial ( tensión mecánica en una única dirección particular), a la que los nanohilos se alinean consistentemente. [3] La reacción para formar los cristales no es topoquímica, [7] ya que implica una reordenación importante de un cristal de benceno monoclínico de menor simetría a un cristal de nanohilo hexagonal de mayor simetría . Las reacciones topoquímicas generalmente requieren una conmensurabilidad entre las periodicidades y las distancias interatómicas entre el reactivo y el producto. Las distancias entre las moléculas de benceno con separaciones de van der Waals entre ellas deben reducirse en un 40% o más a medida que el covalente fuerte y cortoLos enlaces carbono-carbono entre ellos se forman durante la reacción de síntesis de nanohilos. Cambios tan grandes en la geometría normalmente rompen el orden de los cristales, pero la reacción del nanohilo lo crea. Incluso el benceno policristalino reacciona para formar empaquetaduras macroscópicas de cristal único de nanohebras de cientos de micrones de diámetro. [3] Las reacciones topoquímicas en estado sólido, como la formación de polidiacetilenos monocristalinos a partir de diacetilenos, generalmente requieren un reactivo monocristalino para formar un producto monocristalino.
El ímpetu para la formación de un cristal hexagonal parece ser el empaque de hilos de sección transversal circular. [3] Los detalles de cómo es posible transformar de un cristal de benceno monoclínico a un cristal de nanohilo hexagonal aún no se comprenden completamente. Un mayor desarrollo de la teoría del efecto de la presión sobre las reacciones puede ayudar. [8]