Nueva forma de la materia que puede rayar el diamante

Artículo publicado por Tom Simons el 16 de agosto de 2012 en la Universidad de Nebraska–Lincoln

¿Qué logras cuando tomas unas buckybolas, las sumerges en un disolvente concreto y las aplastas bajo una presión de más de 300 000 atmósferas?

La respuesta obvia es un montón de buckybolas aplastadas. Pero un equipo de científicos que incluye al químico de la Universidad de Nebraska-Lincoln Xiao Cheng Zeng ha encontrado que usando el disolvente adecuado a la presión correcta, se crea una nueva forma de materia que han llamado “cúmulo de carbono amorfo ordenado”. Es tan duro que puede rayar el diamante, la sustancia más dura conocida.

Al igual que los diamantes, las buckybolas (técnicamente conocidas como buckminsterfulerenos) están hechas de carbono. Son estructuras ordenadas en forma de jaula de 60 átomos de carbono que tienen un notable parecido con balones de fútbol. Cuando los científicos las aplastaron, perdieron su estructura en forma de jaula, como era de esperar. Lo que no esperaban era aquello en lo que se convirtió.

Buckybola © by James Nash (aka Cirrus)


“Es una nueva forma de la materia que no hemos observado antes”, dice Zeng, Profesor Ameritas de Química en la UNL. “Las buckybolas originalmente están ordenadas, pero si las aplastamos, se convierten en un cúmulo de carbono amorfo ordenado. Se convierten en un revoltijo, pero mantiene un orden a gran escala.

“Y resulta que esta nueva forma de materia es superdura. Puede rayar el diamante”.

El descubrimiento se anunció en un artículo publicado en el ejemplar del 16 de agosto de la revista internacional Science.

Los científicos metieron las buckybolas en un disolvente con la fórmula química C8H10 (ocho átomos de carbono y 10 de hidrógeno), un hidrocarburo aromático basado en el benceno (“aromático” significa que los átomos pueden compartir electrones).

Usando un dispositivo llamado célula yunque de diamante, el autor principal Lin Wang de la Institución Carnegie de Washington en Argonne, Illinois, sometió a las buckybolas a presiones cada vez mayores. Por debajo de, aproximadamente, 30 gigapascales (casi 300 000 atmósferas), las buckybolas volvían a su forma normal tras la descompresión. Sin embargo, por encima de 32 gigapascales, las jaulas colapsaban por completo y se transformaban en cúmulos amorfos, pero mantenían un notable orden a gran escala tras la descompresión.

Posteriores pruebas realizadas con rayos X por Wang, usando la Advanced Photon Source en Argonne, y por Bingbin Liu, usando la National Synchrotron Light Source en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, midieron y confirmaron la estructura.

La dureza del nuevo material se confirmó cuando el equipo experimental encontró marcas en los yunques de diamante usados en sus experimentos.

“El aspecto diferenciador de este experimento es el disolvente que usó el equipo con las buckybolas antes de que las aplastaran, fue el truco clave para crear esta nueva forma de materia”, señala Zeng. “Cuando añadieron una alta presión, las moléculas del disolvente se mantuvieron intactas y separaron las buckybolas, evitando la formación de polímeros. Las bolas estaban muy dañadas, pero todo el sistema mantenía una estructura ordenada”.

Zeng también dijo que el disolvente concreto usado fue clave. Comenta que un equipo de científicos en Suecia intentó un experimento similar hace años, pero usaron C8H8 como disolvente y no lograron el cúmulo de carbono amorfo ordenado superduro.

Las pruebas y experimentos del laboratorio fueron confirmados después de que Zeng y su investigador de posdoctorado Hui Li, autor principal del estudio computacional, usaran 1,4 millones de horas de ordenador para realizar simulaciones dinámico-cuánticas moleculares a gran escala – 900 000 horas en Oak Ridge Leadership Computing Facility en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, y otras 500 000 horas en el Holland Computing Center de la UNL. En comparación, eso es el equivalente aproximado de un potente ordenador de sobremesa que realice cálculos 24 horas al día durante 160 años.

“La simulación nos dio una visión importante sobre este material, una visión atómica, debido a que en el experimento es muy difícil ver cómo colapsa la materia”, dice Zeng. “Con los supercomputadores podemos monitorizar la presión y luego monitorizar la materia bajo altas presiones a escala atómica a distintas presiones”.

Zeng dice que hubo distintas motivaciones científicas para el trabajo, especialmente la interminable búsqueda de nuevas formas de materia por parte de los científicos de materiales. Un segundo factor es la búsqueda de materiales útiles para la tecnología. El hecho de que esta nueva forma superdura de materia conserve su estructura de alta presión en condiciones normales es muy importante para posibles futuras aplicaciones prácticas.


Autor: Tom Simons
Fecha Original: 16 de agosto de 2012
Enlace Original

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Comments (11)

  1. [...] en Materiales, Quí­mica. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web. [...]

  2. karmaikel

    Sólo diré una cosa… MOLA

  3. Hegoi Amestoy

    Lo que no comprendo muy bien es la estructura que se supone que posee el material (supongo que sera muy compleja).

    El articulo dice que tiene zonas amorfas pero con orden agran escala, cuando precisamente las zonas amorfas se caracterizan por solo poseer orden de corte alcance.

    Asi que o se trata de nucleos amorfos en una matriz ordenada, o que los nucleos amorfos tienen un orden… o no lo entiendo muy bien.

    Pero desdeluego es un gran resultado, es sorprendente toda la capacidad de inovación que existe en torno al carbono y sus formas alotropicas.

    • Dr. Diamonds Forever

      Ellos dicen que se evita la polimerización, que sería algo así como un seudo-diamante con cadenas rotas (supongo), así que debe ser como estructuras similares al diamante (enlaces σ) pero de extensión limitada y no total como el diamante, es decir, un “vidrio de diamante” (estructuras diamante microscópicas amalgamadas unas a otras). La estructura exacta es la clave, que eso se lo guardan, pero un diamante raya a otro diamante, claro.

      En cualquier caso, esto de momento es carísimo (cientos de veces más caro que un diamante artificial) y desconociendo las propiedades del material a temperatura ambiente, no podemos ni especular sobre sus aplicaciones.

  4. Amigos míos, el artículo nos deja claro que, la materia, bajo ciertas circuntancias, puede convertirse en todo lo que podamos imaginar y más. De hecho, hasta donde podemos saber, ha llegado desde lo que equivocadqamente llamamos “materia inerte” hasta los pensamientos, es decir, hasta la vida. Y, siendo así (que lo es), ¿de qué nos vamos a asombrar ahora?

    ¡La materia! ese gran misterio.

    Me gustaría estar aquí para poder comprobar que hemos hecho con ella (con la materia) dentro de doscientos años. ¿Qué materiales no habremos podido constituir para salir al espacio interestelar y evitar que las temibles radiaciones penetren el material de la nave…y que cosas más?

    La Naturaleza nos tiene reservadas muchas sorpresas y muchos motivos para el asombro y también, para la maravilla. El Universo es mágico y simplemente tenemos que echar una mirada a cualquiera de las asombrasas transformaciones, transiciones de fase y mutaciones que se producen en las estrellas que, a partir del sencillo Hidrógeno, producen otros muchos materiales o elementos en sus hornos nucleares.

    Aquí mismo hemos podido leer que, en explosiones supernovas se producen ingentes cantidades de oro y otros materiales preciosos. Sabemos que existen estrellas de Carbono y, sobre todo, tendremos que estar pendientes de lo mucho que no sabemos.

    Un saludo.

  5. Ariel

    “Carbono Amorfo Ordenado Superduro”, o, abreviado, CAOS …

  6. reneco

    La materia es una sola, la forma que le demos es una apreciación personal cambiante

  7. Pagano

    Imagino un simil en 2D del resultado es como tener piezas de puzle encajadas en vez de cuadraditos ordenados. El resultado es menos deformable, así como desprender piezas individuales pues están “encajadas”.

    Gracias por la traducción!

  8. Leo

    No se entiende esta parte: Las pruebas y experimentos del laboratorio fueron confirmados después de que [...] usaran 1,4 millones de horas de ordenador [...]

    • Dr. Diamonds Forever

      Lo dice el propio artículo. Son “horas de ordenador doméstico”, los 1,4 millones de horas son eso, 159 años y pico. Si hubieras hecho esos cálculos en el ordenador de tu casa los resultados estarían en 2172 (si el ordenador aguanta tanto). En los superordenadores utilizados es mucho menos, claro xD.

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