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Nuevo vidrio de diamante ultraduro sintetizado con buckyballs de carbono


Los investigadores utilizan una prensa de yunque múltiple para convertir el fullereno C60 en vidrio de diamante, similar al proceso de conversión de grafito en diamante en un aparato de alta presión. Crédito: Imagen de Yingwei Fei

Es el vidrio más duro conocido con la conductividad térmica más alta entre todos los materiales de vidrio.

Yingwei Fei y Lin Wang de Carnegie formaron parte de un equipo de investigación internacional que sintetizó una nueva forma ultradura de vidrio de carbono con una gran cantidad de aplicaciones prácticas potenciales para dispositivos y electrónica. Es el vidrio más duro conocido con la conductividad térmica más alta entre todos los materiales de vidrio. Sus hallazgos se publican en Naturaleza.

La función sigue la forma cuando se trata de comprender las propiedades de un material. La forma en que sus átomos se unen químicamente entre sí y su disposición estructural resultante determina las cualidades físicas de un material, tanto las que son observables a simple vista como las que solo se revelan mediante sondeos científicos.

El carbono no tiene rival en su capacidad para formar estructuras estables, solo y en combinación con otros elementos. Algunas formas de carbono están muy organizadas, con retículos cristalinos repetidos. Otros son más desordenados, una cualidad denominada amorfa.

El tipo de enlace que mantiene unido un material a base de carbono determina su dureza. Por ejemplo, el grafito blando tiene enlaces bidimensionales y el diamante duro tiene enlaces tridimensionales.

“La síntesis de un material de carbono amorfo con enlaces tridimensionales ha sido un objetivo de larga data”, explicó Fei. “El truco consiste en encontrar el material de partida adecuado para transformar con la aplicación de presión”.

“Durante décadas, los investigadores de Carnegie han estado a la vanguardia del campo, utilizando técnicas de laboratorio para generar presiones extremas para producir materiales novedosos o imitar las condiciones que se encuentran en el interior de los planetas”, agregó el director del Laboratorio de Tierra y Planetas de Carnegie, Richard Carlson.

Debido a su punto de fusión extremadamente alto, es imposible usar el diamante como punto de partida para sintetizar vidrio similar al diamante. Sin embargo, el equipo de investigación, dirigido por Bingbing Liu y Mingguang Yao de la Universidad de Jilin, un ex erudito visitante de Carnegie, hizo su gran avance utilizando una forma de carbono compuesta por 60 moléculas dispuestas para formar una bola hueca. Informalmente llamado buckyball, este material ganador del Premio Nobel se calentó lo suficiente para colapsar su estructura similar a una pelota de fútbol para inducir el desorden antes de convertir el carbono en un diamante cristalino bajo presión.

El equipo utilizó una prensa de múltiples yunques de gran volumen para sintetizar el vidrio con forma de diamante. El vidrio es suficientemente grande para la caracterización. Sus propiedades se confirmaron utilizando una variedad de técnicas avanzadas de alta resolución para sondear la estructura atómica.

“La creación de un vidrio con propiedades tan superiores abrirá la puerta a nuevas aplicaciones”, explicó Fei. “El uso de nuevos materiales de vidrio depende de la realización de grandes piezas, lo que ha supuesto un desafío en el pasado. La temperatura comparativamente más baja a la que pudimos sintetizar este nuevo vidrio de diamante ultraduro hace que la producción en masa sea más práctica ”.

Referencia: “Carbón amorfo a granel ultraduro de fullereno colapsado” por Yuchen Shang, Zhaodong Liu, Jiajun Dong, Mingguang Yao, Zhenxing Yang, Quanjun Li, Chunguang Zhai, Fangren Shen, Xuyuan Hou, Lin Wang, Nianqiang Zhang, Wei Zhang, Rong Fu , Jianfeng Ji, Xingmin Zhang, He Lin, Yingwei Fei, Bertil Sundqvist, Weihua Wang y Bingbing Liu, 24 de noviembre de 2021, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03882-9

Este trabajo fue apoyado financieramente por el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China.

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