Nueva forma de la materia que puede rayar el diamante

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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
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