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Yingwei Fei y Lin Wang, de Carnegie, formaron parte de un equipo internacional de investigación que sintetizó una nueva forma ultradura de vidrio de carbono con un gran potencial de aplicaciones prácticas para dispositivos y electrónica. Se trata del vidrio más duro conocido y con la mayor conductividad térmica entre todos los materiales de vidrio. Sus resultados se publican en Nature.
La función sigue a la forma cuando se trata de entender las propiedades de un material. El modo en que sus átomos se unen químicamente entre sí, y la disposición estructural resultante, determinan las cualidades físicas de un material, tanto las observables a simple vista como las que solo se revelan mediante el sondeo científico.
El carbono no tiene rival en su capacidad para formar estructuras estables, únicamente o en combinación con otros elementos. Algunas formas de carbono están muy organizadas, con redes cristalinas repetitivas. Otras son más desordenadas, una cualidad que se denomina amorfa.
El tipo de enlace que mantiene unido un material basado en el carbono determina su dureza. Por ejemplo, el grafito blando tiene enlaces bidimensionales y el diamante duro tiene enlaces tridimensionales.
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| Los investigadores utilizan una prensa multianvil para convertir el fullereno C60 en cristal de diamante, de forma similar al proceso de conversión del grafito en diamante en aparatos de alta presión. Crédito: Yingwei Fei. |
"La síntesis de un material de carbono amorfo con enlaces tridimensionales es un objetivo muy antiguo", explica Fei. "El truco consiste en encontrar el material de partida adecuado para transformarlo con la aplicación de presión".
"Durante décadas, los investigadores de Carnegie han estado a la vanguardia de este campo, utilizando técnicas de laboratorio para generar presiones extremas con el fin de producir nuevos materiales o imitar las condiciones que se encuentran en el interior de los planetas", añadió el director del Laboratorio de la Tierra y los Planetas de Carnegie, Richard Carlson.
Debido a su altísimo punto de fusión, es imposible utilizar 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 y ex becario visitante de Carnegie, logró su avance utilizando una forma de carbono compuesta por 60 moléculas dispuestas para formar una bola hueca. Este material, denominado informalmente "buckyball", se calentó lo suficiente como para colapsar su estructura similar a la de un balón de fútbol e inducir el desorden antes de convertir el carbono en diamante cristalino bajo presión.
El equipo utilizó una prensa multianvil de gran volumen para sintetizar el cristal similar al diamante. El vidrio es lo suficientemente grande para su caracterización. Sus propiedades se confirmaron mediante diversas 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 fabricación de piezas grandes, lo que ha supuesto un reto en el pasado. La temperatura comparativamente más baja a la que hemos podido sintetizar este nuevo vidrio de diamante ultraduro hace más práctica la producción en masa."
Fuentes, créditos y referencias:
Bingbing Liu, Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03882-9