Pacotes CNT, mostrado em (a), são comprimidos e distorcidos, mostrado em (b), (c), e (d). Após a formação de ligações de carbono adicionais, eles são transformados no novo alótropo de carbono, Cco-C8, mostrado em (e). Crédito da imagem:Zhao, et al. © 2011 American Physical Society
(PhysOrg.com) - Ao aplicar extrema pressão para comprimir e achatar os nanotubos de carbono, os cientistas descobriram que podem criar um novo polímero de carbono que as simulações mostram que é difícil o suficiente para quebrar o diamante. O processo de formação induzida por pressão do novo alótropo de carbono, chamado Cco-C 8 , é semelhante à polimerização 3D do buckminsterfullereno semelhante a uma bola de futebol, C 60 , em alta pressão. Quando o feixe de nanotubos de carbono é submetido a mais compressão, torna-se ainda mais distorcido e achatado para produzir o Cco-C 8 estrutura.
Os cientistas, liderado pelo professor Yongjun Tian, do Laboratório Estadual de Ciência e Tecnologia de Materiais Metaestáveis da Universidade de Yanshan em Qinhuangdao, China, publicaram seu estudo sobre o novo carbono superhard em uma edição recente da Cartas de revisão física . 1
“O carbono do material estelar existe em várias arquiteturas devido à sua capacidade de formar sp-, sp 2 -, e sp 3 - ligações hibridizadas, fomentando a grafite, diamante, lonsdaleite, carabina, chaoite, carbono amorfo, nanotubos, fulerenos, grafeno, e assim por diante, ”Tian disse PhysOrg.com . “Esses alótropos de carbono possuem propriedades notáveis e incomparáveis, bem como uma importância científica e tecnológica única, de forma que a busca por novos alótropos de carbono tem sido um tema quente nas comunidades de pesquisa científica. O maior significado deste trabalho reside na nova estratégia de compressão direta de feixes de nanotubos de carbono para projetar e sintetizar novos alótropos de carbono metaestáveis. Esta estratégia implica que algumas fases metaestáveis de carbono com energia mais alta também podem ser obtidas experimentalmente. ”
Como os cientistas explicam, aplicar pressão a alguns desses alótropos de carbono pode alterar as ligações, resultando em diferentes formas de carbono com novas propriedades eletrônicas e mecânicas.
Em vez de pesquisar experimentalmente por novos alótropos de carbono, os cientistas aqui usaram uma técnica desenvolvida recentemente chamada de Análise da Estrutura do Cristal por Otimização do Enxame de Partículas (CALYPSO). Esta pesquisa computadorizada foi projetada para prever estruturas cristalinas estáveis usando apenas composições químicas de um determinado composto em condições externas especificadas, como pressão.
As simulações do CALYPSO primeiro renderam várias estruturas de carbono que já são conhecidas experimentalmente (como grafite e diamante) ou teoricamente propostas (como quiral C 6 ) As simulações revelaram então o romance Cco-C 8 alótropo, um polímero 3D composto de fino (2, 2) nanotubos de carbono interconectados através de anéis de carbono de 4 e 6 membros, que surge devido à formação de ligações adicionais entre os átomos de carbono.
As simulações mostraram que Cco-C 8 tem uma dureza Vickers de 95,1 GPa, que está ligeiramente abaixo de 97,5 GPa do diamante. Embora existam várias maneiras de medir a dureza de um material, A dureza Vickers é um dos métodos mais comuns. Neste método, um objeto pontiagudo é comprimido em um material, e as dimensões do recuo resultante são medidas.
“A dureza tem sido usada como uma das propriedades mecânicas macroscópicas dos materiais há cerca de três séculos, Tian explicou. “Normalmente, a dureza pode ser definida macroscopicamente como a capacidade de um material de resistir a ser arranhado ou amassado por outro. Recentemente, definimos dureza microscopicamente como a resistência combinada de ligações químicas em um cristal à indentação. ” 2
Embora Cco-C 8 tem uma dureza Vickers ligeiramente abaixo da do diamante, os cientistas prevêem que Cco-C 8 deve ser duro o suficiente para arranhar e quebrar o diamante. Como Tian explica, isso ocorre porque Cco-C 8 A resistência à compressão é maior do que a resistência ao cisalhamento do diamante.
“A resistência mecânica ou resistência ideal de um material depende dos modos de carregamento de tração, cisalhamento e compressão, Disse ele. “Por exemplo, tanto a resistência à tração quanto a resistência ao cisalhamento do diamante são cerca de 90 GPa, enquanto sua resistência à compressão é de até 223 GPa. Se forçado na superfície de um único cristal de diamante, Cco-C 8 como um penetrador está principalmente em um estado comprimido, as ligações químicas do diamante abaixo do penetrador resistem à deformação compressiva, e as ligações ao redor do penetrador resistem à deformação por cisalhamento. Embora Cco-C 8 tem dureza ligeiramente menor que o diamante, a resistência à compressão do Cco-C 8 deve ser muito maior do que a resistência ao cisalhamento do diamante. Quando a tensão na zona de deformação de cisalhamento excede a resistência ao cisalhamento do diamante, um recuo é formado. Em outras palavras, Cco-C 8 é capaz de quebrar diamante. ”
Cco-C 8 pode não ser muito difícil de sintetizar no futuro. As simulações mostraram que Cco-C 8 é altamente estável; o novo alótropo de carbono é energeticamente mais favorável do que quase todas as outras estruturas teóricas de carbono. Também, as simulações sugerem que Cco-C 8 pode ser sintetizado pela compressão direta de feixes de nanotubos de carbono de maneira semelhante à síntese de 3D C 60 polímeros.
Na verdade, Cco-C 8 pode já ter sido sintetizado sem saber. Experimentos anteriores sobre a compressão a frio de feixes de nanotubos de carbono produziram uma nova fase de carbono que foi originalmente identificada como P-62c. Contudo, Tian e seus co-autores pensam que a estrutura era mais provável Cco-C 8 .
Além disso, os pesquisadores esperam que outros novos materiais de carbono com propriedades físicas únicas possam ser formados por técnicas de compressão semelhantes, usando nanotubos de tamanhos diferentes ou outras estruturas de carbono. Eles planejam pesquisar esses materiais no futuro.
“Primeiro, vamos usar essa estratégia para projetar mais novos alótropos de carbono, especialmente a condução de carbonos superduros com sp parcialmente 2 -ligações C-C hibridizadas (na estrutura cristalina de Cco-C 8 , cada átomo de carbono é sp 3 -hibridizado), ”Disse Tian. “Segundo, vamos tentar sintetizar esses materiais de carbono projetados usando feixes de nanotubos de carbono em alta pressão e alta temperatura. ”
Ele acrescentou que Cco-C 8 poderia ter aplicações em campos onde o diamante tem sido usado como um material superduro. E se a busca do CALYPSO descobrir materiais condutores de carbono superduros, eles poderiam ter aplicações potenciais em dispositivos eletrônicos.
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