Las formas más conocidas de carbono incluyen el grafito y el diamante, pero también hay otros alótropos de carbono a nanoescala más exóticos. Estos incluyen el grafeno y los fullerenos, que son carbono hibridado sp2 con curvatura cero (forma plana) o positiva (forma esférica).

Mientras tanto, se ha propuesto teóricamente el carbono hibridado sp2 con curvatura negativa, llamado « schwarzita », y su descubrimiento ha sido el sueño de algunos científicos en el campo de los materiales de carbono. Se ha aprendido que el carbono se puede moldear en algunos de los poros periódicos de ciertas zeolitas a través de la deposición de vapor, pero el moldeado está incompleto debido a que algunos poros simplemente son demasiado estrechos. Esto ha frustrado la fabricación de schwartzitas de carbono mediante rutas de plantillas.

Recientemente, un equipo de investigadores del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), Corea del Sur, dirigido por el Director Rodney RUOFF y sus colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, dirigido por el Profesor Yanwu ZHU, informó un descubrimiento de una nueva forma de carbono.

Zhu, quien dirigió el equipo de la USCT, dijo : « El profesor Ruoff explicó su interés en las superficies mínimas triplemente periódicas que describió el matemático Schwartz, y cómo el carbono unido trivalentemente puede, en principio, producir estructuras idénticas en las construcciones matemáticas. Ahora se las conoce como estructuras de « carbon schwarzite », y que también se pueden llamar « carbono de curvatura negativa ». Hace años le dije que este era un tema de investigación emocionante y que podría ser posible encontrar formas de colaborar en su sugerencia.

Esta nueva forma de carbono se produjo utilizando polvo de fullereno C60 (buckminsterfullereno, también llamado « moléculas de buckyball ») como material base. El C60 se mezcló con α-Li3N (« nitruro de litio alfa ») y luego se calentó a temperaturas moderadas mientras se mantenía a una atmósfera de presión. Se supo que el α-Li3 catalizó la ruptura de algunos de los enlaces carbono-carbono en C60, y luego se formaron nuevos enlaces CC con las moléculas C60 vecinas a través de la transferencia de electrones a las moléculas C60.

Ruoff dijo : « En este esfuerzo particular, el profesor Zhu y el equipo de la USTC utilizaron un potente agente de transferencia de electrones (α-Li3N) para impulsar la formación de un nuevo tipo de carbono comenzando con fullereno cristalino ».

El profesor Zhu y su equipo llamaron a su nuevo carbono « carbono poroso ordenado de largo alcance » (LOPC).

LOPC consiste en ‘jaulas C60 rotas’ que están conectadas con una periodicidad de largo alcance. Es decir, cada una de las jaulas C60 rotas todavía está centrada en los sitios de retícula de la retícula cúbica centrada en las caras, pero se han « abierto » hasta cierto punto y han formado enlaces entre sí. Esta es una situación un tanto inusual : todavía hay un orden periódico de largo alcance de cierto tipo, pero no todas las jaulas C60 rotas son idénticas a sus vecinas.

Se encontró que la formación de LOPC se produjo en condiciones de temperatura estrecha y relación carbono/Li3N. El calentamiento hasta 550 oC con una proporción de 5 :1 entre carbono y Li3N provoca la destrucción parcial (rotura de algunos enlaces CC) de las bolas de Bucky, lo que resultó en el descubrimiento de la estructura de « jaula C60 rota » que se encuentra en la LOPC.

Una temperatura más suave de 480 oC o un nivel más bajo de Li3N no daña las bolas de Bucky, que en su lugar se unen para formar un « cristal de polímero C60 ». Este cristal se descompone nuevamente en bolas de Bucky individuales al recalentarse. Mientras tanto, agregar demasiado Li3N o una temperatura más dura por encima de los 600 oC resultó en la desintegración completa de las bolas de Bucky.

Este nuevo carbono se caracterizó por una variedad de métodos, y (de hecho) su caracterización no fue fácil debido a la variedad de ‘jaulas C60 rotas’ ligeramente diferentes que, sin embargo, mantienen sus posiciones en una red cristalina cúbica centrada en la cara estándar. La difracción de rayos X, la espectroscopia Raman, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de estado sólido con rotación de ángulo mágico, la microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberraciones y la dispersión de neutrones se utilizaron para obtener una comprensión de la estructura de esta nueva forma de carbono. Las simulaciones numéricas basadas en un tipo de modelado de red neuronal, combinadas con los métodos experimentales mencionados anteriormente, muestran que LOPC es una estructura metaestable producida durante la transformación de carbonos de ‘tipo fullereno’ a ‘tipo grafeno’.

Los datos de « estructura fina de absorción de rayos X de borde K de carbono cerca del borde » muestran un mayor grado de deslocalización de electrones en LOPC que en C60. Se encuentra que la conductividad eléctrica es de 1,17 × 10−2 S cm−1 a temperatura ambiente, y la conducción a una temperatura de menos de 30 Kelvin parece ser una combinación de transporte similar al metálico en distancias cortas marcada por saltos de portadores. Conocer estas propiedades eléctricas es importante para dilucidar qué posibles aplicaciones podría haber para este nuevo tipo de carbono.

Ruoff señala : « Si bien este nuevo y hermoso tipo de carbono tiene muchas características fascinantes, no es una schwarzita de carbono, por lo que el desafío experimental aún permanece en el horizonte. De hecho, este carbono es algo diferente y único : abre posibilidades completamente nuevas. en nuevas direcciones para los materiales de carbono ».

donde M puede ser un elemento como el lantano o muchos otros, que se encapsula dentro de la jaula de fullereno de carbono.

El equipo ve posibles aplicaciones en la recolección, transformación y almacenamiento de energía; en catálisis para generar productos químicos; y para la separación de iones moleculares o gases. Un aspecto importante también enfatizado en su artículo de Nature es la escalabilidad de la síntesis. Zhu señala que es fácilmente escalable a una escala de kilogramos, y con procesos de producción continuos, puede ser posible lograr una producción a escala de toneladas.

« Yanwu me invitó a unirme al esfuerzo después de cierto éxito inicial en la síntesis y los prometedores pasos iniciales en su proyecto y, afortunadamente, pude hacer algunas sugerencias útiles sobre la ciencia en curso y hasta la finalización de este estudio ahora publicado en Nature. Crédito para la síntesis y los estudios experimentales prácticos se debe en su totalidad a Yanwu y su equipo. Fue un placer brindar algunos consejos sobre ciertos temas, incluidos algunos análisis para realizar y lo que se puede aprender de ellos « , señala Ruoff. « La colaboración con colegas es uno de los placeres de hacer ciencia. El tema aquí era una nueva forma de carbono, perfectamente alineada con los intereses de nuestro centro CMCM que dirijo y que está ubicado en la UNIST. Entonces, salté a la colaboración con emoción y un gran afán por tratar de contribuir de manera útil !  »

Zhu dijo : « El profesor Ruoff es un científico legendario en materiales de carbono y también, simplemente en general. Fui becario postdoctoral en su grupo de investigación durante 3 años y 3 meses, y durante esos años aprendí mucho sobre cómo hacer De hecho, mis últimos años como postdoctorado los pasé en un diálogo muy cercano con él a diario sobre el trabajo que finalmente se publicó en Science, que resultó ser también sobre carbono unido trivalente basado en láminas similares al grafeno. y mi equipo estaban muy contentos de que se uniera a nuestro esfuerzo, y contribuyó fuertemente a la ciencia que hemos descrito en nuestro artículo publicado en Nature ».