Carbono-M, nuevo material y un enigma de medio siglo resuelto

Un equipo dirigido por físicos de mineralogía de Yale ha confirmado, por primera vez, por medio de experimentos a elevada presión, la estructura del grafito comprimido en frío, una forma de carbono que tiene una dureza comparable a la de su primo, el diamante, pero sólo requiere presión para sintetizarla

Los investigadores creen que este hallazgo podría abrir el camino para lograr un material super duro capaz de soportar una gran fuerza y que se pueda utilizar —como ahora se hace con los materiales basados en el diamante— para muchas aplicaciones electrónicas e industriales.

El estudio aparece publicado en Scientific Reports, una revista de Nature. En condiciones normales, el carbono puro exhibe propiedades físicas muy distintas dependiendo de su estructura. Por ejemplo, el grafito es blando, pero el diamante es uno de los materiales más duros que se conoce. El grafito conduce la electricidad, pero el diamante es un aislante.

En medio de los dos existe esta forma de carbono confirmada por el equipo liderado por la Universidad de Yale, a la que se denomina carbono-M, y que fue predicha por métodos teóricos en el 2006. El carbono-M se obtiene cuando se comprime el grafito a presiones de aproximadamente 200.000 veces la presión normal atmosférica a nivel suelo, y a temperatura ambiente.

Aunque se observaron por primera vez estos cambios en el grafito bajo alta presión y a temperatura ambiente hace 50 años, recién ahora se confirmado en un experimento la estructura cristalina, utilizando difracción de rayos X de larga duración, espectroscopia Raman y técnicas ópticas para verificar la predicción.


(a) Microfotografía del grafito cargado en una célula yunque de diamante a presión ambiente


(b) Marca menor en la superficie del yunque causada por el carbono-M después de alcanzar una presión máxima de 32 GPa. La foto fue tomada después del experimento con la luz reflejada


(c) Superficie del yunque muy dañada por el carbono-M después de alcanzar una presión máxima de 50 GPa. La foto fue tomada después del experimento con luz transmitida a través. Todos las piezas tienen 300 micrometros de diámetro

«Además de las propiedades mecánicas únicas descubiertas en el carbono-M, encontramos que la transformación de grafito en carbono-M es extremadamente lenta y requiere un largo tiempo para alcanzar un equilibrio, algo que puede ser la razón adicional por la cual este rompecabezas haya permanecido sin solución desde mitad del siglo pasado», dice Yuejian Wang, autor principal del estudio y ex investigador postdoctoral en la Universidad de Yale, y que ahora es profesor asistente de física en la Universidad de Oakland.

Los investigadores dicen que esta estructura intermedia tiene una simetría mucho menor que el diamante, pero su dureza es igual. De hecho, «Nuestro estudio muestra que el carbono-M es muy comprimible y duro, y rivaliza tanto con las propiedades extremas de los diamantes que es capaz de dañarlos», dijo el investigador principal Kanani K. M. Lee, profesor asistente de geología y geofísica en la Universidad de Yale.

Lee añadió: «Durante los últimos años, muchos cálculos teóricos han sugerido por lo menos una docena de diferentes estructuras cristalinas para esta nueva fase, pero nuestros experimentos mostraron que una sola estructura de cristal se ajusta a los datos, el carbono-M.»

Los otros autores son Joseph Panzik de Yale y Boris Kiefer de la Universidad Estatal de New Mexico. El estudio tuvo el respaldo de subvenciones del Centro de la Alianza Carnegie / Departamento de Energía (DOE, EEUU) y por las instalaciones de sincrotrón nacionales respaldadas por el DOE, la Fundación Nacional de Ciencias (EEUU), y la Fndación WM Keck.

Referencia de publicación: Yuejian Wang, Joseph E. Panzik, Boris Kiefer, Kanani K. M. Lee. Crystal structure of graphite under room-temperature compression and decompression. Scientific Reports, 2012; 2 DOI: 10.1038/srep00520

Fuente: Science Daily y otros sitios. Aportado por Eduardo J. Carletti

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