p A descoberta dos fulerenos surpreendeu e encantou os químicos na década de 1980, nanotubos jazzed físicos na década de 1990, e o grafeno carregou cientistas de materiais na década de 2000, mas uma estrutura de carbono em nanoescala - uma superfície curvada negativamente chamada schwarzita - iludiu a todos. Até agora. p Universidade da Califórnia, Berkeley, químicos provaram que três estruturas de carbono criadas recentemente por cientistas na Coreia do Sul e no Japão são na verdade os schwarzitas há muito procurados, que os pesquisadores prevêem que terá propriedades elétricas e de armazenamento únicas, como as que agora estão sendo descobertas em buckminsterfullerenos (fulerenos ou fulerenos, para abreviar), nanotubos e grafeno.

p As novas estruturas foram construídas dentro dos poros das zeólitas, formas cristalinas de dióxido de silício - areia - mais comumente usadas como amaciantes de água em detergentes para roupas e para quebrar cataliticamente o petróleo em gasolina. Chamados de carbonos com modelo de zeólita (ZTC), as estruturas estavam sendo investigadas para possíveis propriedades interessantes, embora os criadores não soubessem de sua identidade como schwarzites, em que os químicos teóricos trabalharam durante décadas.

p Com base neste trabalho teórico, os químicos prevêem que os schwarzites terão eletrônicos exclusivos, propriedades magnéticas e ópticas que os tornariam úteis como supercapacitores, eletrodos e catalisadores de bateria, e com grandes espaços internos ideais para armazenamento e separação de gás.

p O pós-doutorado da UC Berkeley, Efrem Braun, e seus colegas identificaram esses materiais ZTC como schwarzitas com base em sua curvatura negativa, e desenvolveu uma maneira de prever quais zeólitos podem ser usados ​​para fazer schwarzitas e quais não podem.

p "Agora temos a receita de como fazer essas estruturas, o que é importante porque, se pudermos fazê-los, podemos explorar seu comportamento, que estamos trabalhando muito para fazer agora, "disse Berend Smit, professor adjunto de engenharia química e biomolecular na UC Berkeley e especialista em materiais porosos, como zeólitas e estruturas metal-orgânicas.

p Smit, o autor correspondente do artigo, Braun e seus colegas na Suíça, China, Alemanha, Itália e Rússia vão relatar sua descoberta esta semana no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences .

p Brincando com carbono

p Diamante e grafite são arranjos cristalinos tridimensionais bem conhecidos de carbono puro, mas os átomos de carbono também podem formar "cristais" bidimensionais - arranjos hexagonais padronizados como uma tela de arame. O grafeno é um desses arranjos:uma folha plana de átomos de carbono que não é apenas o material mais forte da Terra, mas também tem uma alta condutividade elétrica que o torna um componente promissor de dispositivos eletrônicos.

p Folhas de grafeno podem ser amassadas para formar fulerenos em forma de bola de futebol - gaiolas esféricas de carbono que podem armazenar moléculas e estão sendo usadas hoje para fornecer drogas e genes ao corpo. Rolar o grafeno em um cilindro produz fulerenos chamados nanotubos, que estão sendo explorados hoje como fios altamente condutores em aparelhos eletrônicos e recipientes de armazenamento de gases como hidrogênio e dióxido de carbono. Todos estes são submicroscópicos, 10, 000 vezes menor que a largura de um cabelo humano.

p A data, Contudo, apenas fulerenos e grafeno positivamente curvos, que tem curvatura zero, foram sintetizados, feitos recompensados ​​com prêmios Nobel em 1996 e 2010, respectivamente.

p Na década de 1880, O físico alemão Hermann Schwarz investigou estruturas negativamente curvas que se assemelham a superfícies de bolhas de sabão, e quando o trabalho teórico sobre moléculas de gaiola de carbono aumentou na década de 1990, O nome de Schwarz foi anexado às hipotéticas folhas de carbono curvas negativamente.

p "A validação experimental de schwarzitas completa assim o triunvirato de possíveis curvaturas ao grafeno; positivamente curvado, plano, e agora negativamente curvado, "Braun acrescentou.

p Me minimiza

p Como bolhas de sabão em armações de arame, schwarzites são superfícies topologicamente mínimas. Quando feito dentro de um zeólito, um vapor de moléculas contendo carbono é injetado, permitindo que o carbono se monte em uma folha semelhante ao grafeno bidimensional que reveste as paredes dos poros do zeólito. A superfície é esticada firmemente para minimizar sua área, o que faz com que todas as superfícies se curvem negativamente, como uma sela. O zeólito é então dissolvido, deixando para trás o schwarzite.

p "Esses carbonos com curvas negativas têm sido muito difíceis de sintetizar por conta própria, mas acontece que você pode fazer crescer o filme de carbono cataliticamente na superfície de um zeólito, "Braun disse." Mas os schwarzites sintetizados até agora foram feitos escolhendo modelos de zeólita por tentativa e erro. Fornecemos instruções muito simples que você pode seguir para fazer schwarzites racionalmente e mostramos que, escolhendo o zeólito certo, você pode ajustar os schwarzites para otimizar as propriedades desejadas. "

p Os pesquisadores devem ser capazes de empacotar quantidades invulgarmente grandes de carga elétrica em schwarzites, o que os tornaria capacitores melhores do que os convencionais usados ​​hoje em dia na eletrônica. Seu grande volume interno também permitiria o armazenamento de átomos e moléculas, que também está sendo explorado com fulerenos e nanotubos. E sua grande área de superfície, equivalente às áreas de superfície dos zeólitos em que são cultivados, poderia torná-los tão versáteis quanto zeólitas para catalisar reações nas indústrias de petróleo e gás natural.

p Braun modelou estruturas ZTC computacionalmente usando as estruturas conhecidas de zeólitas, e trabalhou com a matemática topológica Senja Barthel da École Polytechnique Fédérale de Lausanne em Sion, Suíça, para determinar com qual das superfícies mínimas as estruturas se assemelhavam.

p A equipe determinou que, dos cerca de 200 zeólitos criados até hoje, apenas 15 podem ser usados ​​como modelo para fazer schwarzites, e apenas três deles foram usados ​​até hoje para produzir ZTCs de schwarzita. Mais de um milhão de estruturas zeólitas foram previstas, Contudo, portanto, poderia haver muito mais estruturas de carbono de schwarzita possíveis feitas usando o método de modelagem de zeólita.