Nanoespuma de carbono

Carbon nanofoam es un alótropo de carbono descubierto en 1997 por Andrei V. Rode y compañeros de trabajo en la Universidad Nacional de Australia en Canberra. Consiste en un conjunto de átomos de carbono unidos en una web tridimensional suelta. La estructura de unión similar a fractal consiste en sp² cúmulos tipo grafito conectados por sp³ bonos. El sp³ Los bonos están ubicados principalmente en la superficie de la estructura y constituyen un 15% al 45% del material, haciendo su marco similar a las películas de carbono tipo diamante. El material es notablemente ligero, con una densidad de 2-10 x 10⁻³ g/cm³ (0.0012 lb/ft³) y es similar a un aerogel. Otras propiedades físicas notables incluyen la gran superficie de 300 a 400 m²/g (similar a zeolitas). 1 galón estadounidense (3.8 L; 0.83 imp gal) de nanofoam pesa alrededor de 0.25 onzas (7.1 g).

Cada grupo tiene aproximadamente 6 nanómetros de ancho y consta de aproximadamente 4000 átomos de carbono unidos en láminas similares a grafito a las que se les da una curvatura negativa mediante la inclusión de heptágonos entre el patrón hexagonal regular. Esto es lo contrario de lo que sucede en el caso de los buckminsterfullerenos en los que las láminas de carbono reciben una curvatura positiva mediante la inclusión de pentágonos.

La estructura a gran escala de la nanoespuma de carbono es similar a la de un aerogel, pero con un 1% de la densidad de los aerogeles de carbono producidos anteriormente, o solo unas pocas veces la densidad del aire al nivel del mar. A diferencia de los aerogeles de carbono, la nanoespuma de carbono es un mal conductor eléctrico. La nanoespuma contiene numerosos electrones desapareados, lo que Rode y sus colegas proponen se debe a átomos de carbono con sólo tres enlaces que se encuentran en defectos topológicos y de enlace. Esto da lugar a lo que quizás sea la característica más inusual de la nanoespuma de carbono: es atraída por imanes y por debajo de -183 °C puede volverse magnética.

La nanoespuma de carbono es la única forma de carbono puro que se sabe que es ferromagnética, lo cual es inusual para un alótropo de carbono. El ferromagnetismo es una propiedad intrínseca observada en la nanoespuma de carbono y puede explicarse por su compleja estructura. Las impurezas del material se excluyen como fuente de magnetismo ya que no son suficientes para la fuerte magnetización observada. Los investigadores postulan que los átomos de carbono incrustados con electrones desapareados tienen suficiente momento magnético para provocar una fuerte magnetización. La curvatura de la lámina localiza electrones desapareados rompiendo las nubes de electrones π y protege estéricamente los electrones que normalmente serían demasiado reactivos para persistir. El ferromagnetismo de la nanoespuma de carbono es sensible al tiempo y a la temperatura. Algo de magnetismo se pierde en las primeras horas de síntesis, aunque la mayor parte es persistente. La nanoespuma de carbono puede tener alguna aplicación en dispositivos espintrónicos que explotan el espín del electrón como un grado adicional de libertad.

La nanoespuma de carbono puede ser adecuada para el almacenamiento de hidrógeno debido a su baja densidad y su alta superficie. Experimentos preliminares han demostrado que el hidrógeno se puede almacenar en la nanoespuma a temperatura ambiente mediante un proceso reversible.

Síntesis

Los grupos de nanoespuma de carbono se pueden sintetizar mediante ablación láser de alta tasa de repetición en gases inertes como el argón. Los pulsos cortos (fs) y de baja energía (μJ) entregados a altas tasas de repetición (10 kHz – 100 MHz) generan vapores de carbono para su deposición. El gas ambiente se calienta desde temperatura ambiente con el carbón atomizado, lo que conduce a un aumento en la densidad parcial del carbón en la cámara. En condiciones óptimas, el gas inerte no se enfría sino que mantiene su alta temperatura entre ciclos de formación. Los ciclos posteriores en la cámara se llevan a cabo a temperaturas superiores a la temperatura umbral de formación, iniciando el enlace sp². El aumento de densidad y temperatura promueve condiciones favorables para la formación de cúmulos carbonosos. La tasa de consumo excede la tasa de evaporación por ablación con láser y, por lo tanto, la formación se encuentra en un estado de no equilibrio.