29.11.2021 - Universität Bayreuth

Los investigadores descubren un material de carbono con una estructura única

"El material que hemos sintetizado es hermafrodita: por primera vez, forma un puente entre estructuras cristalinas y amorfas, es decir, completamente desordenadas"

Investigadores de la Universidad de Bayreuth, junto con socios de China y Estados Unidos, han producido por primera vez un material de carbono que no tiene las estructuras estrictamente ordenadas de un cristal, pero que tampoco es amorfo. Se trata de un diamante paracristalino con propiedades ópticas, mecánicas y termofísicas únicas. El material ofrece importantes pistas para entender los materiales no cristalinos, así como para la síntesis dirigida de otros nuevos materiales de carbono. El equipo internacional presenta su descubrimiento en Nature.

El diamante es un material extraordinariamente duro que se forma de forma natural bajo presiones extremadamente altas en el interior de la Tierra. Está compuesto por átomos de carbono que forman una estructura cristalina tridimensional. Dentro de esta estructura, cada átomo de carbono tiene cuatro enlaces covalentes. Los cuatro electrones implicados en estos enlaces se distribuyen entre los orbitales del átomo de una manera característica. Por ello, el estado en el que se encuentran los átomos de carbono de un diamante también se denomina "hibridación sp3". El diamante existe en muchas formas cristalinas, entre las cuales las más conocidas son el diamante cúbico (CD) y el diamante hexagonal (HD). Sin embargo, la síntesis del diamante no cristalino ha resultado técnicamente difícil, lo que limita nuestra comprensión de su estructura, propiedades y mecanismo de síntesis.

Por ello, un grupo de investigación dirigido por el Prof. Dr. Tomo Katsura en el Instituto de Investigación de Geoquímica y Geofísica Experimental de Baviera (BGI) ha perseguido el objetivo de sintetizar diamantes no cristalinos de tamaño milimétrico mediante su técnica de ultrapresión recientemente desarrollada en una prensa multianvil de gran volumen (MAP). A una presión de 30 gigapascales y una temperatura de más de 1.300 grados Celsius, lo consiguieron: en el estado de hibridación sp3, los átomos de carbono formaron una estructura no cristalina a gran escala en la que se pueden identificar unidades de estructura regular.

"El nuevo material puede describirse como un diamante paracristalino, que difiere de todas las variaciones estructurales del diamante conocidas hasta ahora. Tiene una estructura no amorfa en la que los átomos de carbono están dispuestos en parte en cubos, en parte en hexágonos y en parte en estructuras irregulares. Las inusuales propiedades físicas del nuevo material no son direccionales y se espera que hagan avanzar el estudio de los materiales de alta presión", afirma el primer autor, el Dr. Hu Tang, del Instituto de Investigación Bávaro de Geoquímica y Geofísica Experimental (BGI), un centro de investigación de la Universidad de Bayreuth.

"El material que hemos sintetizado es hermafrodita: por primera vez, forma un puente entre las estructuras cristalinas y las amorfas, es decir, completamente desordenadas. Estimulará la investigación de materiales para buscar específicamente otros materiales nuevos en este rango intermedio", afirma el Prof. Dr. Tomo Katsura, profesor de geociencia de alta presión en el BGI.

El diamante paracristalino se sintetizó en una prensa de alta presión del BGI. El análisis de sus estructuras y propiedades incluyó tanto experimentos a altas presiones y temperaturas como elaboradas simulaciones por ordenador. Los científicos de Bayreuth colaboraron estrechamente con socios de investigación de China y Estados Unidos, en particular con el Dr. Huiyang Gou del Centro de Investigación Avanzada de Ciencia y Tecnología de Alta Presión de Pekín, el Prof. Dr. Ming-Sheng Wang de la Universidad de Xiamen (China) y el Prof. Howard Sheng de la Universidad George Mason de Fairfax.

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