¿Cuáles son los detalles de Carbyne, el material más fuerte conocido hasta la fecha? ¿Por qué el carbono tiene tantas formas físicas (alótropos) como Carbyne, grafeno, grafito, diamante, etc.?

Answer 1

¿Cuáles son los detalles de Carbyne, el material más fuerte conocido hasta la fecha?

• Carbyne es una cadena de átomos de carbono unida entre sí por enlaces dobles o enlaces alternos y enlaces simples. Así que es más como una cuerda en contraste con el grafeno ( también un alótropo de carbono ), que es como una lámina [1, 3].
• Recientemente, se realizó un estudio teórico exhaustivo de las propiedades mecánicas de Carbyne utilizando cálculos de primeros principios y proporcionó información que podría ser valiosa para futuras aplicaciones prácticas del material [4,1].
• Carbyne tiene el doble de resistencia a la tracción ( es decir, la capacidad de soportar el estiramiento mientras se tira ) del grafeno , lo que lo convierte en el material con la mayor resistencia a la tracción hasta la fecha [1, 2 , 3, 4] . Figura 1
• La resistencia específica (fuerza por unidad de área dividida por densidad) de Carbyne es de 6.0–7.5 × 10 ^ 7 N ∙ m / kg. El grafeno es 4.7–5.5 × 10 ^ 7 N ∙ m / kg, los nanotubos de carbono es 4.3–5.0 × 10 ^ 7 N ∙ m / kg, y el diamante es 2.5–6.5 × 10 ^ 7 N ∙ m / kg [3].
• La flexibilidad de Carbyne se encuentra en algún lugar entre un polímero típico y un ADN de doble cadena. [3]
• Si bien se detectó carbyne en polvo interestelar y grafito comprimido, los investigadores solo lograron crear cadenas muy pequeñas de hasta 44 átomos. [3]
• En la realización del estudio de Carbyne como cable eléctrico a nanoescala y la estimación de su estabilidad química frente a la autoagregación, se encontró una barrera de activación (0,6 eV) para la reacción de reticulación de carbyne-carbyne. Los átomos de carbono en cadenas separadas podrían superar la barrera en un punto, pero la rigidez de las barras evitaría que se unieran en una segunda ubicación, al menos a temperatura ambiente. Los bultos podrían pegarse unos a otros, pero no se colapsarían completamente. Eso podría generar una red aleatoria altamente porosa que podría ser buena para la adsorción [1, 3, 19, 20].
• Sus propiedades mecánicas y electrónicas pueden ser de interés para aplicaciones en sistemas nanomecánicos, dispositivos optoelectromecánicos, materiales fuertes y ligeros para aplicaciones mecánicas, etc. [1]
• Las preguntas abiertas más importantes son si Carbyne puede hacerse a granel y, en caso afirmativo, cuando [21,22].

¿Por qué el carbono tiene tantas formas físicas (alótropos) como Carbyne, grafeno, grafito, diamante, etc.?

• Los 4 electrones de valencia del carbono pueden estar en diferentes estados de energía hibridados, lo que resulta en la formación de diferentes tipos de enlaces entre los átomos de carbono: enlaces carbono-carbono simples, dobles, triples y aromáticos [5 12, 13, 14 ].
• Estos diferentes tipos de enlaces tienen diferentes fortalezas y diferentes arreglos espaciales de orbitales de electrones, lo que resulta en las diferentes formas físicas de carbono [6] , 7 , 18]. Figuras 2 y 3
• Si bien algunos de los alótropos del carbono se han encontrado en la naturaleza, otros se han sintetizado (p. Ej., Fullerenos, nanotubos, etc.) Figura 2

La creciente lista de alótropos de carbono …
Los alótropos se enumeran a continuación en cubos según el (a) número de dimensiones a lo largo de las cuales tienen simetría de traducción y (b) el número de átomos de carbono a los que está conectado cada átomo de carbono.

• 0D3C (0 dimensional, 3 carbono conectado) : se clasifican en 0 dimensional porque no tienen simetría de traducción, en ninguna dimensión. Los ejemplos incluyen Fullerenes – Buckyballs [8]
• 1D3C (1 dimensional, 3 carbono conectado) – nanotubos [9]
• 1D2C (1 dimensional, 2 carbono conectado) – Carbyne
• 2D3C (2 dimensiones, 3 carbonos conectados) – grafeno, grafito ( las fuerzas de Van der Waals mantienen juntas las capas individuales (grafeno) del grafito )
• 3D4C (3 dimensiones, 4 carbonos conectados) – Diamante, Lonsdaleita, grafito comprimido en frío. La diferencia entre Lonsdaleite y diamante es la disposición eclipsada frente a la disposición escalonada de enlaces carbono carbono. Lonsdaleite tiene un 58% más de fuerza de sangrado que el diamante [10, 11,15,16, 17].
• 3D3C (3 dimensional, 3 conectado) – polibenceno (dinámicamente inestable). Identificación reciente de dos estructuras de estructura quiral conectadas tridimensionales distintas 3 ( Figura 3 – segunda fila etiquetada sp2 ) que son dinámicamente estables.

Figuras

Figura 1. Carbyne en equilibrio y bajo tensión. Carbyne de los primeros principios: Cadena de átomos de C, un nanorod o un nanorope, 9 de agosto de 2013

Figura 2. El mundo de los alótropos de carbono sintéticos. La era de los alótropos de carbono, Naturaleza, octubre de 2010.

Figura 3. Región amarilla sombreada son algunos de los alótropos de Carbono: Carbyne, carbeno triple, carbeno triple, diamante h, también llamado Lonsdaleite, diamante c o diamante regular, grafeno, polibenceno. No se muestran los fullerenos, grafito (capas de grafeno apiladas retenidas por las fuerzas de van der Waals), etc. Una ilustración comparativa de las configuraciones básicas de enlace en los hidrocarburos de tipo etino, eteno, etano e benceno y los de los alótropos de carbono puro, entre los cuales el carbeno de 3 y 4 veces se identifica en este trabajo. Las longitudes típicas de los enlaces carbono-carbono con distintas configuraciones de enlaces son 1.54 Å para enlaces simples C (sp3) –C (sp3) como en el diamante y el etano; 1,46 Å para enlaces sencillos C (sp2) –C (sp2) como en el 1,3-butadieno y 1,48 Å en carbeno de 3 y 4 veces; 1.40 Å para enlaces aromáticos como en benceno y 1.42 Å en grafito; 1.34 Å para C (sp2) = C (sp2) dobles enlaces como en eteno, 1,3-butadieno, carbeno 3 veces y 4 veces; y 1.20 Å para los enlaces triples C (sp) C (sp) como en ethyne y carbyne. Nuevos alótropos de carbono con cadenas helicoidales de quiralidad complementaria conectadas por conjugación π de tipo eteno, naturaleza, 29 de octubre de 2013

Referencias

1. Carbyne de los primeros principios: Cadena de átomos de C, un nanorod o un nanorope, 9 de agosto de 2013
2. Carbón acetilénico lineal
3. Nueva forma de carbono es más fuerte que el grafeno y el diamante | MIT Technology Review, 15 de agosto de 2013
4. Carbyne muestra su fuerza, la nanotecnología de la naturaleza Nov 2013
5. Hibridación Orbital
6. Nuevos alótropos de carbono con cadenas helicoidales de quiralidad complementaria conectadas por conjugación π de tipo eteno, naturaleza, 29 de octubre de 2013
7. La era de los alótropos de carbono, Naturaleza, octubre de 2010.
8. Fullereno
9. Nanotubo de carbono
10. Lonsdaleite
11. Conformación escalonada vs eclipsada de diamante y Lonsdaleite
12. Estructura electrónica y orbitales atómicos.
13. Enlace en metano – hibridación sp3
14. sp2 hibridación y deslocalización
15. Lonsdaleite, un polimorfo hexagonal de diamante
16. Un meteorito de hierro antártico contiene diamante y lonsdaleita producidos por impacto preterrestre
17. Más duro que el diamante: Resistencia superior a la muesca de Wurtzite BN y Lonsdaleite
18. Alótropos de carbono: más allá del grafito y el diamante -2007, Diario de Tecnología Química y Biotecnología
19. Lecciones pequeñas pero fuertes de la química para la nanociencia, Angew. Chem. En t. Ed. 2013. Premio Nobel Roald Hoffmann . Un contrapunto aleccionador a la exageración de la nanociencia de Roald Hoffman, a la vez que reconoce su contenido y su promesa.
20. El nuevo campeón de carbon
21. Química: Los ensayos del nuevo carbono, Naturaleza 2011.
22. Grafeno: la búsqueda del supercarbon, noviembre 2013

Esta pregunta fue planteada y respondida simultáneamente, ya que ni la pregunta ni la respuesta existían antes de la publicación.