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Una nueva forma de carbono más fuerte que el grafeno y el diamante

Los químicos han calculado que las cadenas de átomos de carbono con enlaces dobles o triples, un material conocido como carbino, deberían ser más fuertes y rígidas que cualquier material conocido.

The Physics arXiv Blog 03/09/2013

El sexto elemento, el carbono, nos ha dado una increíble cantidad de materiales extraordinarios. Antes solo existían el carbón, el grafito y el diamante. Pero en los últimos años los químicos han añadido el futboleno, los nanotubos y toda una serie de formas exóticas creadas con grafeno, el equivalente molecular de la tela de gallinero.

Así que cuesta creer que el carbono tenga más ases guardados en la manga. Sin embargo, Mingjie Liu y sus compañeros de la Universidad Rice en Houston (EE.UU.) han calculado las propiedades de otra forma de carbono que es más fuerte, rígida y exótica que cualquier cosa observada por los químicos hasta la fecha.

El nuevo material se llama carbino. Es una cadena de átomos de carbono enlazados bien por enlaces triples y únicos alternos, o por enlaces dobles consecutivos.

El carbino es un misterio. Los astrónomos creen haber detectado su firma en el espacio interestelar, pero los químicos llevan décadas discutiendo si habían llegado a crear este material en la Tierra. Sin embargo, hace un par de años, sintetizaron cadenas de carbino de hasta 4 átomos de largo en una solución.

Hasta ahora se pensaba que el carbino debía ser extremadamente inestable. De hecho, algunos químicos han hecho cálculos que afirman que dos cadenas de carbino que entraran en contacto reaccionarían explosivamente.

A pesar de todo, a los nanotecnólogos les fascina el potencial de este material porque debería ser fuerte y rígido a la vez y por lo tanto útil. Pero nadie tiene claro exactamente cómo de fuerte y cómo de rígido es.

Y aquí es donde entran Liu y compañía. Estos investigadores han calculado, partiendo de primeros principios, las propiedades del carbino, y los resultados dan que pensar.

Para empezar, afirman que el carbino es el doble de rígido que los materiales más rígidos que se conocen en la actualidad. Los nanotubos de carbono y el grafeno, por ejemplo, tienen una rigidez de 4,5 x 10^8 N.m/kg pero el carbino los supera con una rigidez de aproximadamente 10^9 N.m/kg

Igual de impresionante resulta la fuerza del nuevo material. Liu y sus compañeros calculan que hacen falta unos 10 nanoNewtons para partir una única cadena de carbino. "Esta fuerza se traduce en una fuerza específica de 6,0-7,5×10^7 N∙m/kg, superando de nuevo a todos los materiales conocidos, incluyendo el grafeno (4,7-5,5×10^7 N∙m/ kg), los nanotubos de carbono (4,3-5,0×10^7 N∙m/ kg), y el diamante (2,5-6,5×10"7 N∙m/kg4)", sostienen.

Además,, el carbino tiene otras propiedades interesantes. Su flexibilidad se encuentra entre la de un polímero típico y el ADN de doble hélice. Y cuando se retuerce, puede bien rotar libremente o convertirse en algo rígido que no se puede torsionar, dependiendo del grupo químico adherido a su extremo.

Quizá lo más interesante sean los cálculos hechos por el equipo de Rice respecto a la estabilidad del carbino. Están de acuerdo en que dos cadenas en contacto pueden reaccionar, pero afirman que existe una barrera de activación que impide que esto suceda fácilmente. "Esta barrera sugiere la viabilidad del carbino en fase condensada a temperatura ambiente en cuestión de días", concluyen.

Todo esto debería satisfacer a los nanotecnólogos que desean inventar nanomáquinas cada vez más exóticas, como los dispositivos nanoelectrónicos y espintrónicos. Dados los avances que se están llevando a cabo en la fabricación de este tipo de cosas, quizá no tengamos que esperar demasiado hasta que alguien empiece a explotar las extraordinarias propiedades mecánicas de las cadenas de carbino.

Ref: arxiv.org/abs/1308.2258 : Carbino de Primeros Principios: Cadena de Átomos de C, ¿Una Nanovara o una Nanosoga?


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