Um novo material de carbono que é um semicondutor à temperatura ambiente e um metal a uma temperatura mais baixa

Surgiu uma nova substância carbonácea de formato côncavo. A equipe de pesquisa liderada por Rodney Love (Professor Ilustre da UNIST) do Centro de Materiais de Carbono Multidimensionais do Instituto de Ciências Básicas (IBS) sintetizou um novo material de carbono em colaboração com a Universidade de Ciência e Tecnologia da China. Rotulado “LOPC (Carbono Poroso Ordenado de Longo Alcance com Regularidade de Período Longo)”.

Vários materiais de carbono.  Materiais carbonáceos como grafite, diamante, grafeno, nanotubos de carbono e fulerenos possuem diferentes propriedades físicas que dependem do arranjo dos átomos.  Equipe de pesquisa conjunta IBS-China University of Science and Technology fabricada
Vários materiais de carbono. Materiais carbonáceos como grafite, diamante, grafeno, nanotubos de carbono e fulerenos possuem diferentes propriedades físicas que dependem do arranjo dos átomos. A equipe de pesquisa conjunta da IBS-China University of Science and Technology sintetizou o “LOPC”, um novo material com propriedades semicondutoras à temperatura ambiente, usando fulerenos com baixa condutividade elétrica. Fonte: IBS

A descoberta de novas estruturas de carbono é de alto valor acadêmico e industrial. Materiais carbonáceos como chumbo, diamante e grafeno têm diferentes propriedades físicas, dependendo de seu arranjo atômico. Tem uma relação profunda com o Prêmio Nobel. O Prêmio Nobel de Química de 1996 foi concedido por sua contribuição para o desenvolvimento do ‘fulereno’, uma estrutura esférica de 60 átomos de carbono, e o Prêmio Nobel de Química de 2010 foi concedido por sua contribuição para o desenvolvimento do grafeno.

Ao contrário do grafeno, os fulerenos não foram extensivamente estudados. Para aplicações, o arranjo atômico ou a estrutura dos fulerenos devem ser modificados. No entanto, tem um diâmetro de apenas 0,7 nanômetros (um nanômetro, 1 nanômetro é um bilionésimo de metro) e uma estrutura molecular estável, o que dificulta a conversão química e física. Mesmo que a transformação seja bem-sucedida, outro desafio permanece em relação à síntese do grupo em um nível que tenha valor de aplicação.

A equipe de pesquisa conjunta criou um novo material de carbono usando fulerenos. composto de nitrogênio alfa-lítio (α-Li3N) e aquecido a 550, algumas ligações entre os carbonos nos fulerenos foram quebradas e os fulerenos vizinhos foram ligados e conectados. É fácil pensar na estrutura de cortar uma bola de futebol com uma tesoura e juntar várias peças. Posteriormente, como resultado da análise da estrutura composta usando equipamentos de análise avançada, foi confirmado que o LOPC é uma estrutura gerada no processo de conversão de fulerenos 3D em materiais 2D, como o grafeno.

Síntese de novos materiais utilizando fulerenos.  A equipe de pesquisa sintetizou o LOPC misturando pó de fulereno (C60) com composto de nitrogênio α-lítio (α-Li3N) e aquecendo-o a 550 graus Celsius.  Fonte: IBS
Síntese de novos materiais utilizando fulerenos. A equipe de pesquisa sintetizou o LOPC misturando pó de fulereno (C60) com composto de nitrogênio α-lítio (α-Li3N) e aquecendo-o a 550 graus Celsius. Fonte: IBS

Em seguida, os pesquisadores analisaram as propriedades físicas do LOPC. Embora os fulerenos, que têm baixa condutividade elétrica, tenham sido usados ​​como materiais, o LOPC mostrou condutividade elétrica comparável à dos dispositivos semicondutores à temperatura ambiente. Em temperaturas tão baixas quanto 30 K (-243,15 ℃), mostrou condutividade elétrica no nível do metal.

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Yano Zhou, professor da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, disse: “O matemático alemão Hermann Schwartz propôs a possibilidade de uma estrutura com curvatura negativa (-) no processo de estudar a superfície de uma bolha de sabão, e muitos cientistas sugeriram a possibilidade de uma estrutura com esta estrutura. Ele disse: “Conseguimos sintetizar um novo material de ligação de Schwarzite semelhante ao carbono com insights de pesquisas anteriores da equipe de pesquisa de Rove.”

Os materiais de carbono desenvolvidos até agora têm uma estrutura plana como o grafeno ou uma estrutura convexa como o fulereno. A possibilidade de fazer um material de carbono côncavo com curvatura negativa, como uma sela de cavalo, foi sugerida na década de 1990. No entanto, mesmo depois de 30 anos, nunca foi fabricado.

Em geral, um átomo de carbono é quimicamente ligado (ligação tetravalente) a quatro átomos ao seu redor, e uma estrutura de “ligação trivalente” é necessária onde o átomo de carbono se liga a três outros átomos para obter curvatura negativa. Em 2010, o diretor Ruoff relatou a primeira síntese de carbono trivalente na revista acadêmica internacional “Advanced Materials”. Assim, os pesquisadores chineses sintetizaram com sucesso um LOPC com uma ligação trivalente neste estudo.

Microestruturas de fulerenos e LOPCs.  Imagens de microscopia eletrônica de transmissão de fulerenos (esquerda) e moléculas LOPC (meio e direita).  Fonte: IBS
Microestruturas de fulerenos e LOPCs. Imagens de microscopia eletrônica de transmissão de fulerenos (esquerda) e moléculas LOPC (meio e direita). Fonte: IBS

A síntese de LOPC foi creditada por fornecer pistas importantes para a síntese de schwarzita de carbono. Espera-se que o Carbon Schwarzite tenha valores significativos de aplicação industrial, como capacitores que podem armazenar grandes quantidades de energia, transportadores que fornecem drogas no corpo usando vazios internos e catalisadores altamente eficientes com grandes áreas de superfície.

“Esta pesquisa é o primeiro caso em que o LOPC, um novo material, foi sintetizado em uma grande quantidade de vários gramas e sua estrutura está claramente definida, e será expandida para a escala de quilograma (kg) no futuro.” “Estamos um passo mais perto de fabricar Carbon Schwarzite.”

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Os resultados da pesquisa foram publicados na edição online da revista internacional “Nature (IF 69.504)” no dia 12 de janeiro às 01:00 (horário coreano).

Título do artigo: Carbonatos porosos de longo alcance ordenados de C.60 / Natureza

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