Creado por primera vez el ‘material maravilloso de próxima generación’ de larga hipótesis

Durante más de una década, los científicos han intentado sintetizar una nueva forma de carbono llamada grafeno con un éxito limitado. Sin embargo, ese esfuerzo ahora ha llegado a su fin, gracias a una nueva investigación de la Universidad de Colorado Boulder.

Graphyne ha sido durante mucho tiempo de interés para los científicos debido a sus similitudes con el «material maravilloso» grafeno, otra forma de carbono que es muy valorada por la industria cuya investigación incluso fue galardonada con el Premio Nobel de Física en 2010. Sin embargo, a pesar de décadas de trabajo y Teorizando, solo se han creado unos pocos fragmentos antes de ahora.

Esta investigación, anunciada la semana pasada en Síntesis de la naturalezallena un vacío de larga data en la ciencia del material de carbono, abriendo potencialmente nuevas posibilidades para la electrónica, la óptica y la investigación de materiales semiconductores.

«Toda la audiencia, todo el campo, está realmente entusiasmado de que este problema de larga data, o este material imaginario, finalmente se haga realidad», dijo Yiming Hu, autor principal del artículo y doctorado en química en 2022.

Los científicos han estado interesados ​​durante mucho tiempo en la construcción de alótropos de carbono nuevos o novedosos, o formas de carbono, debido a la utilidad del carbono para la industria, así como a su versatilidad.

Hay diferentes formas en que se pueden construir alótropos de carbono según cómo se utilicen los carbonos hibridados sp2, sp3 y sp (o las diferentes formas en que los átomos de carbono pueden unirse a otros elementos) y sus enlaces correspondientes. Los alótropos de carbono más conocidos son el grafito (utilizado en herramientas como lápices y baterías) y los diamantes, que se crean a partir de carbono sp2 y carbono sp3, respectivamente.

Usando métodos químicos tradicionales, los científicos han creado con éxito varios alótropos a lo largo de los años, incluido el fullereno (cuyo descubrimiento ganó el Premio Nobel de Química en 1996) y el grafeno.

Sin embargo, estos métodos no permiten que los diferentes tipos de carbono se sinteticen juntos en ningún tipo de gran capacidad, como lo que se requiere para el grafeno, que ha dejado el material teorizado, que se especula que tiene propiedades ópticas, mecánicas y conductoras de electrones únicas. Quedarse en eso: una teoría.

Pero también fue esa necesidad de lo no tradicional lo que llevó a aquellos en el campo a acercarse al grupo de laboratorio de Wei Zhang.

Zhang, profesor de química en CU Boulder, estudia química reversible, que es la química que permite que los enlaces se autocorrijan, lo que permite la creación de nuevas estructuras ordenadas, o redes, como polímeros sintéticos similares al ADN.

Después de ser contactado, Zhang y su grupo de laboratorio decidieron intentarlo.

Crear graphyne es una «pregunta muy antigua, de larga data, pero dado que las herramientas sintéticas eran limitadas, el interés disminuyó», Hu, quien tenía un Ph.D. estudiante en el grupo de laboratorio de Zhang, comentó. «Trajimos el problema nuevamente y usamos una nueva herramienta para resolver un viejo problema que es realmente importante».

Usando un proceso llamado metátesis de alquinos, que es una reacción orgánica que implica la redistribución, o corte y reforma, de enlaces químicos de alquinos (un tipo de hidrocarburo con al menos un enlace covalente triple carbono-carbono), así como termodinámica y control cinético. , el grupo pudo crear con éxito lo que nunca antes se había creado: un material que podría rivalizar con la conductividad del grafeno pero con control.

«Hay una diferencia bastante grande (entre el grafeno y el grafeno), pero en el buen sentido», dijo Zhang. «Este podría ser el material maravilloso de la próxima generación. Es por eso que la gente está muy emocionada».

Si bien el material se ha creado con éxito, el equipo aún quiere analizar los detalles particulares del mismo, incluida la forma de crear el material a gran escala y cómo se puede manipular.

«Realmente estamos tratando de explorar este material novedoso desde múltiples dimensiones, tanto experimental como teóricamente, desde el nivel atómico hasta los dispositivos reales», dijo Zhang sobre los próximos pasos.

Estos esfuerzos, a su vez, deberían ayudar a descubrir cómo las propiedades ópticas y conductoras de electrones del material pueden usarse para aplicaciones industriales como las baterías de iones de litio.

«Esperamos que en el futuro podamos reducir los costos y simplificar el procedimiento de reacción, y luego, con suerte, las personas realmente pueden beneficiarse de nuestra investigación», dijo Hu.

Para Zhang, esto nunca podría haberse logrado sin el apoyo de un equipo interdisciplinario, y agrega: «Sin el apoyo del departamento de física, sin el apoyo de algunos colegas, este trabajo probablemente no podría realizarse».