Cuando los átomos de carbono se apilan en un cristal tridimensional que se repite perfectamente, pueden formar diamantes preciosos. Dispuesto de manera diferente, en hojas planas repetidas, el carbón da el grafito gris brillante que se encuentra en los lápices. Pero hay otras formas de carbono que se conocen menos. El carbono amorfo, generalmente un material negro como el hollín, no tiene una estructura molecular repetitiva, lo que dificulta su estudio.

Cuando los átomos de carbono se apilan en un cristal tridimensional que se repite perfectamente, pueden formar diamantes preciosos. Dispuesto de manera diferente, en hojas planas repetidas, el carbón da el grafito gris brillante que se encuentra en los lápices. Pero hay otras formas de carbono que se conocen menos. El carbono amorfo, generalmente un material negro como el hollín, no tiene una estructura molecular repetitiva, lo que dificulta su estudio.

Ahora, investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago han utilizado un nuevo marco para comprender las propiedades electrónicas del carbono amorfo. Sus resultados permiten a los científicos predecir mejor cómo el material conduce la electricidad y absorbe la luz, y se publicaron en Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

«Necesitamos entender cómo funciona el carbono desordenado a nivel molecular para desarrollar este material para aplicaciones como la conversión de energía solar», dijo Giulia Galli, profesora de ingeniería molecular de la familia Liew y profesora de química en la Universidad de Chicago. Galli también ocupa un puesto como Científica Principal en el Laboratorio Nacional de Argonne, donde es Directora del Centro MICCoM.

Durante décadas, los científicos han modelado la forma en que se mueven los átomos en el carbono amorfo utilizando las leyes de la mecánica clásica: el conjunto de ecuaciones que describen, por ejemplo, cómo acelera un automóvil o cómo cae una pelota en el aire. Para algunos átomos pesados ​​de la tabla periódica, estas ecuaciones clásicas son una buena aproximación para captar con precisión muchas de las propiedades de los materiales. Pero para muchas formas de carbono, y particularmente para el carbono amorfo, el equipo de Galli descubrió que el uso de estas ecuaciones clásicas para describir el movimiento de los átomos se queda corto.

«El carbono amorfo tiene muchas propiedades que lo hacen valioso para una variedad de aplicaciones, pero modelar y simular sus propiedades en el nivel fundamental es un desafío», dijo el postdoctorado Arpan Kundu, PhD, el primer autor del trabajo.

Galli ha pasado los últimos treinta años desarrollando y aplicando métodos mecánicos cuánticos para modelar y simular las propiedades de moléculas y sólidos. Originalmente trabajó en carbono amorfo al principio de su carrera y recientemente ha regresado a este desafío con nuevos conocimientos.

Galli, Kundu y el físico universitario Yunxiang (Tony) Song realizaron nuevas simulaciones de las propiedades electrónicas del carbono amorfo, esta vez integrando principios cuánticos para describir los movimientos de los electrones y los núcleos de los átomos de carbono. Descubrieron que el uso de la mecánica cuántica para ambos, en lugar de la mecánica clásica para los núcleos, es crucial para predecir con precisión las propiedades del carbono amorfo.

Por ejemplo, utilizando sus modelos mecánicos cuánticos refinados, el equipo de PME predijo una conductividad eléctrica más alta de lo que se hubiera esperado.

Los hallazgos informados en el artículo de PNAS son útiles no solo para comprender el carbono amorfo, sino también otros sólidos amorfos similares, dijeron los investigadores. Pero también señalaron que aún queda mucho trabajo por hacer: los materiales de carbono desordenados pueden exhibir propiedades radicalmente diferentes según su densidad, que a su vez depende del método utilizado para crear el material.

«Cuando algo está ordenado en un cristal, sabes exactamente cuál es su estructura, pero una vez que está desordenado, puede desordenarse de muchas maneras posibles», dijo Kundu.

El equipo planea continuar estudiando el carbono amorfo y sus posibles aplicaciones.

Cita: «Influencia de los efectos cuánticos nucleares en las propiedades electrónicas del carbono amorfo», Kundu et al., procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias15 de julio de 2022. DOI: 10.1073/pnas.2203083119

Financiamiento: Departamento de Energía de EE. UU. a través del Laboratorio Nacional de Argonne


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