Carbón vítreo
carbono vítreo, a menudo llamado carbono vítreo o carbono vítreo, es un carbono no grafitizante o no grafitizable que combina carbono vítreo y propiedades cerámicas con las del grafito. Las propiedades más importantes son alta estabilidad térmica, alta conductividad térmica, dureza (7 Mohs), baja densidad, baja resistencia eléctrica, baja fricción, extrema resistencia al ataque químico e impermeabilidad a gases y líquidos. El carbón vítreo se utiliza ampliamente como material de electrodo en electroquímica, para crisoles de alta temperatura y como componente de algunos dispositivos protésicos. Se puede fabricar en diferentes formas, tamaños y secciones.
Los nombres carbono vítreo y carbono vítreo se han registrado como marcas comerciales y la IUPAC no recomienda su uso como términos técnicos.
En 2021 se publicó una reseña histórica del carbón vítreo.
Historia
El carbono vítreo fue observado por primera vez en los laboratorios de The Carborundum Company, Manchester, Reino Unido, a mediados de la década de 1950 por Bernard Redfern, científico de materiales y tecnólogo de diamantes. Se dio cuenta de que la cinta adhesiva que usaba para sujetar muestras de cerámica (boquilla de cohete) al piso de un horno se transformó "en una estructura inusual que conservaba su forma original" después de la cocción en atmósfera inerte. Buscó una matriz polimérica que reflejara la estructura de un diamante y descubrió una resina resol que, con una preparación especial, fraguaba sin catalizador. Se produjeron crisoles con esta resina fenólica y se distribuyeron a organizaciones como UKAEA Harwell.
Redfern dejó The Carborundum Co., que oficialmente canceló todos los intereses en la invención del carbono vítreo. Mientras trabajaba en el laboratorio de Plessey Company en Towcester, Reino Unido, Redfern recibió de UKAEA un crisol de carbón vítreo para su duplicación. Lo identificó como uno que había hecho a partir de las marcas que había grabado en el precursor sin curar antes de la carbonización; es casi imposible grabar el producto terminado. La empresa instaló un laboratorio en Litchborough y luego una instalación permanente en Caswell, Northamptonshire, que se convirtió en Plessey Research Caswell y luego en el Centro de Investigación Allen Clark.
El carbono vítreo llegó a Plessey como un hecho consumado. La contribución de Redfern a la invención y producción de carbón vítreo se reconoce por su coautoría de los primeros artículos, pero las referencias a él no fueron obvias en publicaciones posteriores de Cowlard y Lewis. Existen crisoles de barco originales, varillas de sección gruesa y muestras de precursores.
La solicitud de patente británica de Redfern se presentó el 11 de enero de 1960 y él fue el autor de la patente estadounidense 3109712A, concedida el 5 de noviembre de 1963, fecha de prioridad 11 de enero de 1960, fecha de presentación el 9 de enero de 1961. Esto se produjo después de la rescisión de la patente británica. patentar. Esta técnica anterior no está referenciada en la patente estadounidense 4.668.496, del 26 de mayo de 1987, para Vitreous Carbon. Se presentaron patentes "Cuerpos y formas de materiales carbonosos y procesos para su producción" y el nombre "Carbón vítreo" presentado al producto por el hijo de Redfern.
Se estaba investigando el uso del carbono vítreo/vítreo para componentes de sistemas de detonación termonuclear y al menos algunas de las patentes que rodeaban al material fueron rescindidas (en interés de la seguridad nacional) en la década de 1960.
Grandes secciones del material precursor se produjeron como piezas fundidas, moldeadas o mecanizadas en una forma predeterminada. Se fabricaron grandes crisoles y otras formas.
La carbonización se realizó en dos etapas. La contracción durante este proceso es considerable (48,8%) pero absolutamente uniforme y predecible. Se puede hacer que una tuerca y un perno encajen mientras están en forma de polímero, procesarse por separado pero de manera idéntica y, posteriormente, lograr un ajuste perfecto.
Algunas de las primeras muestras ultrapuras de arseniuro de galio (GaAs) se refinaron en zonas en estos crisoles (el carbón vítreo no reacciona con el GaAs).
El carbón vítreo impuro/dopado presenta fenómenos semiconductores.
Se fabricó carbón vítreo con inclusiones de carburo de uranio, a escala experimental, utilizando uranio 238.
El 11 de octubre de 2011, una investigación realizada en el Laboratorio Geofísico Carnegie dirigida por Wendy L. Mao de Stanford y su estudiante de posgrado Yu Lin, describió una nueva forma de carbono vítreo formado bajo alta presión, con una dureza igual a la del diamante: un una especie de carbono parecido al diamante. Sin embargo, a diferencia del diamante, su estructura es la del carbono amorfo por lo que su dureza puede ser isotrópica. La investigación estaba en curso a partir de 2011.
Carbón vítreo reticulado
El carbón vítreo también se puede producir como una espuma, llamada carbono vítreo reticulado (RVC). Esta espuma se desarrolló por primera vez a mediados y finales de la década de 1960 como un material de electrodo de carbono vítreo microporoso y térmicamente aislante. La espuma RVC es una forma de carbono fuerte, inerte, conductora eléctrica y térmicamente, resistente a la corrosión y con baja resistencia al flujo de gases y fluidos. Debido a estas características, el uso más extendido del RVC en trabajos científicos es como electrodo tridimensional en electroquímica. Además, las espumas RVC se caracterizan por un volumen de huecos excepcionalmente alto, una gran superficie y una resistencia térmica muy alta en entornos no oxidantes, lo que permite la esterilización térmica y facilita la manipulación en aplicaciones biológicas.
Estructura
La estructura del carbono vítreo ha sido durante mucho tiempo un tema de debate.
Los primeros modelos estructurales asumían que estaban presentes átomos unidos tanto sp2 como sp3, pero ahora se sabe que el carbono vítreo es 100% sp2. Investigaciones más recientes han sugerido que el carbono vítreo tiene una estructura relacionada con el fullereno.
Presenta una fractura concoidea.
Tenga en cuenta que el carbono vítreo no debe confundirse con el carbono amorfo. Esto de la IUPAC:
- "El carbono similar a la gelatina no puede describirse como carbono amorfo porque se compone de elementos estructurales bidimensionales y no exhibe bonos de 'dangling'".
Propiedades electroquímicas
El electrodo de carbón vítreo (GCE) en soluciones acuosas se considera un electrodo inerte para la reducción de iones hidronio:
- <math alttext="{displaystyle {ce {{overset {hydronium}{H3O+_{(aq)}}}+ e^- [{ce {GCE}}] H._{(aq)}}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">H3O()aq)+hidronium+e− − ⇌GCEH⋅ ⋅ ()aq)[displaystyle {ce {overset {}{H3O+_{(aq)}}+ e^- <= â {ce {ce {cH3O+_{(aq)}}}}}}}}<img alt="{displaystyle {ce {{overset {hydronium}{H3O+_{(aq)}}}+ e^- [{ce {GCE}}] H._{(aq)}}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c62a4c6abaff964007aa5214f36e7f210ea62301" style="vertical-align: -1.505ex; width:24.98ex; height:5.676ex;"/> E⊖ ⊖ =− − 2.10 V{displaystyle E^{ominus }=-2.10 mathrm {V} contra NHE a 25 °C
Reacción comparable sobre el platino:
- <math alttext="{displaystyle {ce {H3O+_{(aq)}{}+ Pt_{(s)}+ e^- Pt:H_{(s)}}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">H3O()aq)++Pt()s)+e− − ↽ ↽ − − − − ⇀ ⇀ Pt:H()s){fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}}}}}}}}}<img alt="{displaystyle {ce {H3O+_{(aq)}{}+ Pt_{(s)}+ e^- Pt:H_{(s)}}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/17e73798dca9da4de18b0b60c5521d878faaf0db" style="vertical-align: -1.505ex; width:30.813ex; height:3.843ex;"/> E⊖ ⊖ = 0,000 V{displaystyle E^{ominus }= 0,000mathrm {V} contra NHE a 25 °C
La diferencia de 2,1 V se atribuye a las propiedades del platino que estabiliza un enlace covalente Pt-H.
Propiedades físicas
Las propiedades incluyen "resistencia a altas temperaturas", dureza (7 Mohs), baja densidad, baja resistencia eléctrica, baja fricción y baja resistencia térmica.
Aplicaciones
Debido a su orientación superficial específica, el carbón vítreo se emplea como material de electrodo para la fabricación de sensores. Los electrodos de pasta de carbón, pasta de carbón vítreo, carbón vítreo, etc., cuando se modifican, se denominan electrodos químicamente modificados. Los compuestos de carbono vítreo y carbono/fibra de carbono se utilizan para implantes dentales y válvulas cardíacas debido a su biocompatibilidad, estabilidad y técnicas de fabricación simples.