Estrutura de carbono mais dura que diamante é descoberta

Substância foi capaz de riscar uma bigorna formada pela pedra preciosa.

Substância foi capaz de riscar uma bigorna formada pela pedra preciosa.

O que o diamante, a grafite e o carvão têm em comum? Todas essas substâncias são constituídas de carbono. Mas o que faz do diamante a substância natural mais dura conhecida é como seus átomos estão estruturados em sua forma cristalina.

O carbono é o quarto elemento mais abundante no universo e assume uma ampla variedade de formas: o grafeno (com átomos organizados como favos de mel), o grafite do lápis, diamante, os nanotubos cilindricamente estruturados e as esferas ocas chamados de fulerenos.

Algumas formas de carbono são cristalinos (como a do diamante), o que significa que a estrutura é organizada em formatos que se repetem em unidades atômicas. Outras são amorfas, o que significa que a estrutura não tem a ordem dos cristais.

Produtos híbridos, que combinam tanto a forma cristalina quanto a amorfa ainda não haviam sido observadas, embora os cientistas acreditavam que poderiam ser criados.

Lin Wang (esq.) e Wenge Yang (dir.)

Todavia, cientistas da Instituição Carnegie, nos EUA, descobriram uma nova forma de carbono ainda mais dura do que o diamante.

Ao ser sintetizada, a nova substância riscou o diamante da bigorna usada no experimento.

Depois de estudar o material, Lin Wang e seus colegas concluíram que ele é formado por uma mistura de fases cristalina e amorfa.

Esta é a primeira vez que se observa uma estrutura híbrida de carbono, misturando uma bem ordenada fase cristalina com aglomerados amorfos, seções onde os átomos não seguem um padrão regular.

Os cientistas começaram o experimento com o carbono-60, também conhecido como buckball, uma estrutura oca formada por 60 átomos de carbono constituindo uma espécie de gaiola.

Um solvente orgânico, o xileno, foi colocado nos espaços entre as bolas formando uma nova estrutura. Em seguida, uma forte pressão foi aplicada a esta combinação de gaiolas de carbono e solventes, para ver como ele reagia sob tensões diferentes.

A uma pressão relativamente baixa, a estrutura de gaiola do carbono-60 permaneceu. Mas à medida que a pressão aumentava, as estruturas de gaiola começavam a entrar em colapso criando mais aglomerados de carbono amorfo. No entanto, os aglomerados amorfos ainda ocupavam seus locais originais, formando uma estrutura em treliça.

A equipe descobriu que existe uma estreita janela de pressão, a cerca de 320.000 vezes a atmosfera normal, em que essa nova estrutura de carbono é criada e não retorna a estrutura de gaiola, quando a pressão é removida.

Isso é crucial para encontrar aplicações práticas para o novo material no futuro.
Este material foi capaz de riscar a bigorna de diamante super puro usada para criar as condições de alta pressão. Isto significa que o material é extremamente duro.

Se o solvente utilizado para preparar as novas formas de carbono é removido por tratamento térmico, o material perde a sua estrutura peculiar, indicando que o solvente é crucial para manter a transição química que está na base da nova estrutura.

Criamos um novo tipo de material de carbono, que é comparável à do diamante em sua incapacidade de ser comprimido. Uma vez criado sob pressões extremas, este material pode existir em condições normais, o que significa que pode ser utilizado para uma grande variedade de aplicações práticas.
Lin Wang

Uma vez que existem muitos solventes semelhantes, é teoricamente possível que uma gama de estruturas de carbono semelhantes, mas um pouco diferente, possam ser criadas usando este método de pressão.

O cristal de diamante puro, usado para pressionar a amostra, foi riscado por ela.
[Imagem: Li Wang et al./Science]

O novo material tem um variado campo potencial de aplicações, nas áreas de mecânica, eletrônica e eletroquímica.

O trabalho foi publicado na revista Science em 17 de agosto.

Fonte: Instituto Carnagie
[Via BBA]