211service.com
Olvídese del grafeno y los nanotubos de carbono, prepárese para el nanohilo de diamante
Difícilmente pasa una semana sin que alguien proclame una nueva aplicación para el grafeno, la forma de carbono que se presenta en láminas individuales con una estructura similar a la tela metálica (ver Sugerencias de investigación sobre el potencial fotovoltaico del grafeno). Enrolla una hoja de grafeno en un tubo y forma un nanotubo de carbono, otro material maravilloso con numerosas aplicaciones. Y envuélvalo más en una bola y, con una pequeña reorganización de los enlaces, forma buckyballs.
Ahora hay un chico nuevo en el bloque de carbono. El mes pasado, un equipo de la Universidad Estatal de Pensilvania y otros lugares anunciaron que habían creado otro tipo de carbono que toma la forma de un cristal de diamante unidimensional cubierto con hidrógeno. A este nuevo material lo llaman nanohilo de diamante.
Eso provocó una oleada de entusiasmo y planteó algunas preguntas interesantes. Los científicos de materiales están fascinados por las propiedades potenciales de un nanohilo de diamante y sus aplicaciones. Pero uno de los temores es que dicho hilo sea tan frágil que se rompa como el vidrio bajo cualquier tipo de carga, una propiedad que limitaría severamente su uso.
Hoy, obtenemos una nueva visión de los nanohilos de diamante gracias al trabajo de Haifei Zhan en la Universidad Tecnológica de Queensland en Australia y algunos amigos. Estos muchachos han modelado los hilos utilizando simulaciones de dinámica molecular a gran escala. Y concluyen que el material podría ser más versátil de lo que nadie pensaba. Hay indicios tentativos de que el nanohilo de diamante podría ser un material nuevo y maravilloso por derecho propio.
El equipo de Penn State fabricó el nanohilo a partir de moléculas de benceno, simples anillos de átomos de carbono. No es difícil ver cómo una pila de estos podría unirse de una manera que forma un hilo.
Y eso es exactamente lo que hizo el equipo de Penn State. Apilaron las moléculas en una línea, la colocaron bajo presión para que las moléculas polimerizaran y, listo, crearon un nanohilo de diamante.
Eso suena simple en teoría, pero la complejidad surge de la forma en que se pueden unir los átomos de carbono. Son posibles varias configuraciones, y la pregunta que investigan Zhan y sus colegas es cómo las propiedades del hilo dependen de estos arreglos.
En particular, Zhan y compañía analizan las dos configuraciones más comunes. El primero es el benceno polimerizado simple: una pila de estos anillos unidos entre sí. Esta es una molécula rígida que se vuelve cada vez más frágil a medida que se alarga. Construir algo complejo con secciones largas de polibenceno sería como tratar de coser espaguetis crudos.
Pero hay otra configuración de átomos de carbono conocida como defectos de Stone-Wales, y estos son mucho más maleables. De hecho, los defectos de Stone-Wales actúan como bisagras que conectan secciones de polibenceno.
Zhan y sus colegas simulan cómo varían las propiedades del nanohilo a medida que aumenta la densidad de estos defectos. Y concluyen que cuando la densidad cruza un umbral particular, el hilo cambia repentinamente de quebradizo a completamente flexible, como la diferencia entre los espaguetis crudos y cocidos.
Ese es un resultado interesante. Implica que la propiedad del nanohilo se puede ajustar simplemente controlando la densidad de los defectos de Stone-Wales a lo largo de su longitud. Entonces, algunas partes del hilo se pueden hacer rígidas, mientras que otras son completamente flexibles.
¿Qué pasa con las aplicaciones potenciales? Su ductilidad altamente ajustable junto con su densidad ultraligera y su alto módulo de Young hacen que el nanohilo de diamante sea ideal para la creación de nanoarquitecturas tridimensionales extremadamente fuertes, dicen Zhan y compañía.
Por supuesto, este trabajo es solo una simulación. Es casi seguro que habrá diferencias entre sus predicciones y el comportamiento de los nanohilos de diamante en el mundo real. Entonces, el próximo paso será que los científicos de materiales creen algunos kits de construcción de nanohilos y comiencen a medir las propiedades de este material de verdad.
Dado el gran interés en la arquitectura de carbono y las grandes sumas de dinero que se invierten en esta área (solo la Unión Europea tiene un proyecto de investigación de mil millones de euros centrado exclusivamente en el grafeno), seguramente no pasará mucho tiempo antes de que veamos nanohilos de diamante en la carne. y algunas de las extraordinarias aplicaciones que debería hacer posibles.
Ref: arxiv.org/abs/1511.01583 : De frágil a dúctil: una ductilidad dependiente de la estructura del nanohilo de diamante