Tan duros como el diamante y tan resistentes como el plástico, los muy buscados filamentos de nanodiamantes estarían a punto de revolucionar nuestro mundo, si su fabricación no fuera tan difícil.
Recientemente, un equipo de científicos dirigido por Samuel Dunning y Timothy Strobel de Carnegie desarrolló una tecnología original que predice y guía la creación ordenada de nanofilamentos fuertes pero flexibles, superando muchos desafíos existentes. Esta innovación facilitará a los científicos la síntesis de nanohebras, un paso importante hacia la aplicación del material a problemas prácticos en el futuro. El trabajo fue publicado recientemente en el Journal of the American Chemical Society.
Los nanofilamentos de diamante son cadenas de carbono unidimensionales extremadamente delgadas, decenas de miles de veces más delgadas que un cabello humano. A menudo se crean comprimiendo pequeños anillos a base de carbono para formar el mismo tipo de enlace que hace que el diamante sea el mineral más duro de nuestro planeta.
Sin embargo, en lugar de la red de carbono tridimensional que se encuentra en los diamantes ordinarios, los bordes de estas hebras están «cubiertos» con enlaces de carbono-hidrógeno, lo que hace que toda la estructura sea flexible.
Dunning explica: «Debido a que las nano-hebras solo tienen estos enlaces en una dirección, pueden doblarse y flexionarse de formas que el diamante ordinario no puede».
Los científicos esperan que las propiedades únicas de los nanofilamentos de carbono tengan una variedad de aplicaciones útiles, desde proporcionar un andamiaje similar a la ciencia ficción en los ascensores espaciales hasta fabricar telas súper resistentes. Sin embargo, los científicos han tenido dificultades para crear suficiente material de nanofilamentos para probar los superpoderes ya propuestos.
Dunning dice: «Si vamos a diseñar materiales para aplicaciones específicas, es esencial que comprendamos con precisión la estructura y la interconexión de los nanofilamentos que fabricamos. ¡Este método de enrutamiento de filamentos nos permite hacer precisamente eso!»
Uno de los mayores desafíos es lograr que los átomos de carbono interactúen de manera predecible. En los nanofilamentos hechos de benceno y otros anillos de seis átomos, cada átomo de carbono puede sufrir reacciones químicas con diferentes vecinos. Esto conduce a muchas interacciones potenciales que compiten entre sí y muchas configuraciones diferentes de nanofilamentos. Esta incertidumbre es uno de los mayores obstáculos a los que se enfrentan los científicos en la fabricación de nanofilamentos en los que se puede determinar la composición química exacta.
El equipo de Dunning decidió que agregar nitrógeno al anillo en lugar de carbono podría ayudar a dirigir la reacción por un camino predecible. Eligieron comenzar su trabajo con piridazina, un anillo de seis miembros formado por cuatro carbonos y dos nitrógenos, y comenzaron a trabajar en un modelo de computadora. Dunning trabajó con Bo Chen, del Centro Internacional de Física de Donostia, y Li Zhou, profesor asistente en Rutgers and Carnegie Alum, para simular cómo se comportan las moléculas de piridazina a alta presión.
«En nuestro sistema, usamos dos átomos de nitrógeno para eliminar dos sitios de reacción potenciales del sistema de anillos. Esto reduce en gran medida la cantidad de reacciones potenciales», dice Dunning.
Después de ejecutar varias simulaciones por computadora que mostraron la formación exitosa de nanofilamentos bajo alta presión, estaban listos para llevar el experimento al laboratorio.
El equipo tomó una gota de piridazina y la cargó en una celda de yunque de diamante, un dispositivo que permite a los científicos crear presiones extremas comprimiendo muestras entre las diminutas puntas de diamantes más convencionales. Usando espectroscopía infrarroja y difracción de rayos X, monitorearon cambios en la composición química de la piridazina hasta 300,000 veces más que la presión atmosférica normal en busca de nuevos enlaces para formar.
Cuando vieron que se formaban los enlaces, se dieron cuenta de que habían predicho y creado con éxito las primeras nanohebras de diamante de piridazina en el laboratorio.
«Nuestra vía de reacción produce un nanofilamento increíblemente estructurado», dijo Dunning. «La capacidad de incorporar otros átomos en la columna vertebral del nanofilamento, dirigir la reacción y comprender el entorno químico del nanofilamento ahorrará a los investigadores un tiempo invaluable en el desarrollo de la tecnología de nanofilamentos».
El proceso de usar estos átomos que no son de carbono para dirigir la formación de nanohebras, que Dunning llama «guiado de hebras», es un paso importante hacia un futuro en el que los científicos puedan crear estos materiales de forma predecible y utilizarlos en aplicaciones avanzadas. Ahora que se ha descubierto esta estrategia sintética, Dunning planea identificar y probar varios posibles precursores de nanofilamentos.
Y está ansioso por comenzar a poner a prueba los nanofilamentos de piridazina.
Dunning concluyó: «Ahora que sabemos que podemos hacer este material, debemos comenzar a hacer lo suficiente para aprender lo suficiente para determinar sus propiedades mecánicas, ópticas y electrónicas».
referencia:
- Samuel J. Dunning, Li Zhou, Bo Chen, Stella Chariton, Vitaly B. Prakabenka, Madhuri Somayazulu, Timothy A. Strobel. Control de vías de estado sólido por heteroátomos dirigidos a la reacción: nanopiridazina ordenada mediante cicloadición selectiva. Revista de la Sociedad Química Estadounidense, 2022; 144 (5): 2073 DOI: 10.1021 / JACS.1c12143
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