Carbono, la base de este nuevo material
De todos los elementos de la tabla periódica de Mendeleev, el carbono produce las moléculas más diferentes. Esta característica se debe a su capacidad para establecer 4 enlaces químicos simultáneos con otros átomos, pero también consigo mismo. Esta tetravalencia le permite formar muchas estructuras.
El carbono es un compuesto esencial para la vida. Es parte de la composición de la mayoría de las moléculas orgánicas hasta tal punto que a veces hablamos de química del carbono para hablar de química orgánica.
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En su forma cristalina, el carbono puro existe en dos formas alotrópicas: diamante y grafito. El diamante está hecho de estructuras tetraédricas transparentes. Se forma en condiciones de temperatura y presión muy altas. En estas estructuras tetraédricas, los enlaces entre los átomos de carbono son extremadamente fuertes, lo que explica la dureza del diamante, que está, en la escala de Vickers, entre 56 y 62 GPa (gigapascal). El diamante también es un aislante que no permite el paso de la corriente eléctrica.
Por otro lado, en condiciones de presión normales, el carbono se convierte en grafito, que está formado por una pila de estructuras cristalinas hexagonales planas llamadas láminas de grafeno. El grafito es un material muy friable, ya que las diferentes láminas se deslizan sobre sí mismas debido a una baja fuerza de cohesión. A diferencia del diamante, el grafito es un conductor de corriente eléctrica.
El carbono también existe en forma amorfa y desordenada, producido en el laboratorio por pulverización catódica o por evaporación de haces de electrones. Algunos de ellos, como la molécula de fullereno que se utiliza para fabricar este nuevo vidrio ultrarresistente, se producen en la naturaleza durante los incendios forestales o en las emisiones de los motores diésel.
En cuanto al carbono elemental, se oxida a alta temperatura para formar monóxido de carbono y dióxido de carbono.
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Un vaso más duro que un diamante
O familia fullereno es una familia de compuestos con al menos 60 átomos de carbono. Toman la forma de esferas huecas en las que los átomos de carbono están dispuestos en poliedros semirregulares, en forma de anillos de carbono pentagonales y heptagonales alternados.
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Modelado de una esfera de fullereno con 60 átomos de carbono. Se muestran en negro y los enlaces químicos interatómicos en amarillo.
La primera molécula de fullereno descubierta, llamada “buckyball”, se puede comparar fácilmente con una especie de jaula con un diámetro inferior a un nanómetro. Por su configuración, es una molécula muy sólida que ya encuentra aplicaciones en el área farmacéutica, en biología o en microelectrónica.
Para diseñar su vidrio conductor ultrarresistente, los investigadores probaron varias configuraciones de átomos de carbono. Seleccionaron fullerenos compuestos por 60 moléculas de carbono en forma de esfera hueca.
Para hacer que el vidrio de carbono sea tan fuerte, el equipo de investigación de la Universidad de Jilin en China envió moléculas de buckyball a altas temperaturas provocando el colapso de su estructura esférica y el desorden dentro de la organización molecular. Luego obtienen un compuesto parcialmente amorfo. A diferencia de las pruebas anteriores, que requerían temperaturas muy altas, los científicos del estudio pudieron obtener resultados con temperaturas más bajas.
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A continuación, el conjunto se trituró a muy alta presión para obtener el vidrio cristalino deseado. Para crear una alta presión, correspondiente a unas 320.000 veces la presión atmosférica, los investigadores utilizaron una prensa de múltiples yunques. Este dispositivo se utiliza generalmente para someter muestras de roca volcánica a presiones como las que prevalecen a una profundidad de 800 km, en la parte superior del manto de nuestro hermoso planeta azul.
Luego, el equipo de investigación utilizó técnicas de cristalografía, como la difracción de rayos X o la difracción de electrones, para confirmar las propiedades de este nuevo vidrio.
Este nuevo material de vidrio, una especie de híbrido entre el carbono amorfo del grafito y el carbono cristalino del diamante, es por tanto más sólido que este último, ya que es capaz de dejar una marca en el diamante. Su desarrollo abre la puerta a muchas aplicaciones en una amplia variedad de campos, como la electrónica o lugares donde se necesita un vidrio muy resistente.
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