A estrutura de clatrato do tipo sodalita bipartida, que consiste em gaiolas "hospedeiras" octaédricas truncadas que prendem átomos "hóspedes" de estrôncio, foi sintetizado sob condições de alta pressão e alta temperatura usando uma técnica de aquecimento a laser. Crédito:Tim Strobel.
Uma classe há muito procurada de materiais baseados em carbono "superdiamante" com propriedades mecânicas e eletrônicas ajustáveis foi prevista e sintetizada por Li Zhu e Timothy Strobel de Carnegie. Seu trabalho é publicado por Avanços da Ciência .
O carbono é o quarto elemento mais abundante no universo e é fundamental para a vida como a conhecemos. É incomparável em sua capacidade de formar estruturas estáveis, sozinho e com outros elementos.
As propriedades de um material são determinadas pela forma como seus átomos estão ligados e pelos arranjos estruturais que essas ligações criam. Para materiais à base de carbono, o tipo de ligação faz a diferença entre a dureza do diamante, que tem ligações tridimensionais "sp3", e a suavidade da grafite, que tem ligações "sp2" bidimensionais, por exemplo.
Apesar da enorme diversidade de compostos de carbono, apenas um punhado de tridimensionalmente, materiais à base de carbono ligados a sp3 são conhecidos, incluindo diamante. A estrutura de ligação tridimensional torna esses materiais muito atraentes para muitas aplicações práticas devido a uma gama de propriedades, incluindo resistência, dureza, e condutividade térmica.
"Além do diamante e alguns de seus análogos que incorporam elementos adicionais, quase nenhum outro material de carbono sp3 estendido foi criado, apesar das inúmeras previsões de estruturas potencialmente sintetizáveis com este tipo de ligação, "Strobel explicou." Seguir um princípio químico que indica que a adição de boro na estrutura aumentará sua estabilidade, examinamos outra classe ligada a 3-D de materiais de carbono chamados clatratos, que têm uma estrutura de rede de gaiolas que prendem outros tipos de átomos ou moléculas. "
Os clatratos compostos por outros elementos e moléculas são comuns e foram sintetizados ou encontrados na natureza. Contudo, clatratos à base de carbono não foram sintetizados até agora, apesar das previsões de longa data de sua existência. Os pesquisadores tentaram criá-los por mais de 50 anos.
Tim Strobel e Li Zhu da Carnegie lideraram uma equipe que usou ferramentas de pesquisa de estrutura avançada para prever o primeiro clatrato à base de carbono termodinamicamente estável e, em seguida, sintetizou a estrutura do clatrato, que é composta de gaiolas de carbono-boro que prendem átomos de estrôncio. Crédito:Tim Strobel.
Strobel, Zhu, e sua equipe - Gustav M. Borstad da Carnegie, Hanyu Liu, Piotr A. Gucka, Michael Guerette, Juli-Anna Dolyniuk, Yue Meng, e Ronald Cohen, bem como Eran Greenberg e Vitali Prakapenka da Universidade de Chicago e Brian L. Chaloux e Albert Epshteyn do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA - abordaram o problema por meio de uma abordagem computacional e experimental combinada.
"Usamos ferramentas de pesquisa de estrutura avançada para prever o primeiro clatrato à base de carbono termodinamicamente estável e, em seguida, sintetizamos a estrutura do clatrato, que é composta por gaiolas de carbono-boro que prendem átomos de estrôncio, sob condições de alta pressão e alta temperatura, "Zhu disse.
O resultado é um 3-D, estrutura à base de carbono com ligação tipo diamante que é recuperável às condições ambientais. Mas ao contrário do diamante, os átomos de estrôncio aprisionados nas gaiolas tornam o material metálico - o que significa que conduz eletricidade - com potencial de supercondutividade em temperaturas notavelmente altas.
O que mais, as propriedades do clatrato podem mudar dependendo dos tipos de átomos convidados dentro das gaiolas.
"Os átomos convidados presos interagem fortemente com as gaiolas hospedeiras, "Strobel comentou." Dependendo dos átomos convidados específicos presentes, o clatrato pode ser ajustado de um semicondutor para um supercondutor, tudo isso mantendo robusto, títulos de diamante. Dado o grande número de substituições possíveis, prevemos uma classe inteiramente nova de materiais à base de carbono com propriedades altamente ajustáveis. "
"Para quem gosta - ou cujos filhos gostam - de Pokémon, esta estrutura de clatrato à base de carbono é como o Eevee dos materiais, "brincou Zhu." Dependendo de qual elemento ele captura, tem habilidades diferentes. "
