¿Podemos hacer grafito a partir del carbón? Los investigadores comienzan por encontrar nuevos sólidos de carbono

A medida que aumenta el apetito mundial por materiales a base de carbono como el grafito, los investigadores de la Universidad de Ohio presentaron evidencia esta semana de un nuevo sólido de carbono al que llamaron «grafito amorfo».

El físico David Drabold y el ingeniero Jason Trembly comenzaron con la pregunta: «¿Podemos hacer grafito a partir del carbón?»

«El grafito es un material de carbono importante con muchos usos. Una aplicación floreciente del grafito es para los ánodos de las baterías de iones de litio, y es crucial para la industria de los vehículos eléctricos: un Tesla Model S necesita en promedio 54 kg de grafito. Dichos electrodos son mejores si se fabrican con materiales de carbono puro, que son cada vez más difíciles de obtener debido a la creciente demanda tecnológica», escriben en su artículo, «Ab initio simulator of amorphous graphite», que se publicó hoy en Cartas de revisión física.

«Ab initio» significa «desde el principio», y su trabajo sigue nuevos caminos hacia formas sintéticas de grafito a partir de material carbonoso natural. Lo que encontraron, con varios cálculos diferentes, fue un material en capas que se forma a temperaturas muy altas (alrededor de 3000 grados Kelvin). Sus capas permanecen juntas debido a la formación de un gas de electrones entre las capas, pero no son las capas perfectas de hexágonos que componen el grafeno ideal. Este nuevo material tiene muchos hexágonos, pero también pentágonos y heptágonos. Ese desorden de anillos reduce la conductividad eléctrica del nuevo material en comparación con el grafeno, pero la conductividad sigue siendo alta en las regiones dominadas en gran medida por los hexágonos.

No todos los hexágonos

«En química, el proceso de convertir materiales carbonosos en una estructura de grafito en capas mediante tratamiento térmico a alta temperatura se denomina grafitización. En esta carta, mostramos desde ab initio y simulaciones dinámicas moleculares de aprendizaje automático que las redes de carbono puro tienen una proclividad abrumadora para convertir a una estructura en capas en una ventana significativa de densidad y temperatura con la formación de capas incluso para configuraciones iniciales aleatorias. Las capas planas son de grafeno amorfo: átomos de carbono tres coordinados topológicamente desordenados dispuestos en planos con pentágonos, hexágonos y heptágonos de carbono «, dijo Drabold , Profesor Distinguido de Física y Astronomía en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Ohio.

«Dado que esta fase está topológicamente desordenada, el ‘registro de apilamiento’ habitual del grafito solo se respeta estadísticamente», dijo Drabold. «La estratificación se observa sin las correcciones de Van der Waals a las fuerzas funcionales de densidad (LDA y PBE), y discutimos la formación de un gas de electrones deslocalizados en las galerías (vacíos entre planos) y mostramos que la cohesión entre planos se debe en parte a esta baja densidad». gas de electrones de densidad. La conductividad electrónica en el plano se reduce drásticamente en relación con el grafeno».

Los investigadores esperan que su anuncio estimule la experimentación y los estudios que aborden la existencia de grafito amorfo, que puede probarse a partir de la exfoliación y/o sondas estructurales superficiales experimentales.

Trembly, Profesor Russ de Ingeniería Mecánica y director del Instituto de Energía Sostenible y Medio Ambiente en la Facultad de Ingeniería y Tecnología Russ de la Universidad de Ohio, ha estado trabajando en parte en los usos ecológicos del carbón. Él y Drabold, junto con los estudiantes de doctorado en física Rajendra Thapa, Chinonso Ugwumadu y Kishor Nepal, colaboraron en la investigación. Drabold también forma parte del Nanoscale & Quantum Phenomena Institute de OHIO y ha publicado una serie de artículos sobre la teoría del carbono amorfo y el grafeno amorfo. Drabold también destacó el excelente trabajo de sus estudiantes de posgrado en la realización de esta investigación.

Sorprendente cohesión entre planos

«La pregunta que nos llevó a esto es si podríamos hacer grafito a partir del carbón», dijo Drabold. «Este artículo no responde completamente a esa pregunta, pero muestra que el carbono tiene una tendencia abrumadora a formar capas, como el grafito, pero con muchos ‘defectos’ como pentágonos y heptágonos (anillos de átomos de carbono de cinco y siete miembros), que encajan con bastante naturalidad en la red. Presentamos pruebas de que existe grafito amorfo y describimos su proceso de formación. Se ha sospechado a partir de experimentos que la grafitización se produce cerca de 3.000 K, pero los detalles del proceso de formación y la naturaleza del desorden en los planos se desconocía”, agregó.

El trabajo de los investigadores de la Universidad de Ohio también es una predicción de una nueva fase de carbono.

«Hasta que hicimos esto, no era del todo obvio que las capas de grafeno amorfo (los planos que incluyen pentágonos y heptágonos) se unirían en una estructura en capas. Me parece bastante sorprendente, y es probable que los experimentadores busquen esto». cosas ahora que se predice su existencia», dijo Drabold. «El carbono es el elemento milagroso: puedes hacer vida, diamante, grafito, Bucky Balls, nanotubos, grafeno y ahora esto. También hay mucha física básica interesante en esto, por ejemplo, cómo y por qué los planos se unen, esto en sí mismo es bastante sorprendente por razones técnicas».