Descoberta de uma nova forma de carbono chamada Carbono Poroso Ordenado de Longo Alcance (LOPC)

Enquanto isso, sp² o carbono hibridizado com curvatura negativa, chamado “schwarzita”, foi proposto teoricamente, e sua descoberta tem sido um sonho de alguns cientistas da área de materiais de carbono. Aprendeu-se que o carbono pode ser moldado em alguns dos poros periódicos de certos zeólitos por meio de deposição de vapor, mas o modelo é incompleto devido a alguns poros serem simplesmente muito estreitos. Isso impediu a fabricação de schwartzitos de carbono por rotas de modelagem.

Recentemente, uma equipe de pesquisadores do Centro de Materiais de Carbono Multidimensionais do Instituto de Ciências Básicas (IBS), Coreia do Sul, liderada pelo diretor Rodney RUOFF e seus colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, liderada pelo professor Yanwu ZHU, relatou um descoberta de uma nova forma de carbono.

Zhu, que liderou a equipe da USCT, disse: “O professor Ruoff explicou seu interesse nas superfícies mínimas triplamente periódicas que foram descritas pelo matemático Schwartz e como o carbono ligado trivalentemente pode, em princípio, produzir estruturas idênticas nas construções matemáticas. Estas são agora referidas como estruturas de “schwarzita de carbono”, e que também podem ser chamadas de “carbono de curvatura negativa”.

Esta nova forma de carbono foi produzida usando C₆₀ pó de fulereno (buckminsterfulereno, também chamado de “moléculas de buckyball”), como material de base. O C₆₀ foi misturado com α-Li₃N (“alfa-nitreto de lítio”) e depois aquecido a temperaturas moderadas, mantendo a pressão de uma atmosfera. Foi descoberto que o α-Li₃ catalisou a quebra de algumas das ligações carbono-carbono em C₆₀e novas ligações CC foram então formadas com o vizinho C₆₀ moléculas através da transferência de elétrons para o C₆₀ moléculas.

Ruoff disse: “Neste esforço específico, o Prof. Zhu e a equipe da USTC usaram um potente agente de transferência de elétrons (α-Li₃N) para conduzir a formação de um novo tipo de carbono começando com o fulereno cristalino.”

O professor Zhu e sua equipe nomearam seu novo carbono, ‘carbono poroso ordenado de longo alcance’ (LOPC).

O LOPC consiste em ‘gaiolas C60 quebradas’ que são conectadas com periodicidade de longo alcance. Ou seja, as gaiolas C60 quebradas ainda estão centradas nos locais da rede da rede cúbica centrada na face, mas foram “abertas” até certo ponto e formaram ligações umas com as outras. Esta é uma situação um tanto incomum — ainda existe uma ordem periódica de longo alcance de um certo tipo, mas nem toda gaiola C60 quebrada é idêntica às suas vizinhas.

Verificou-se que a formação do LOPC ocorreu sob temperaturas estreitas e carbono/Li₃condições de razão N. O aquecimento até 550 oC com uma proporção de 5:1 entre carbono e Li3N causa destruição parcial (quebra de algumas ligações CC) das buckyballs, o que resultou na descoberta do “C quebrado₆₀ cage” que se encontra no LOPC.

Uma temperatura mais amena de 480 oC ou um nível inferior de Li3N não danifica as buckyballs, que se juntam para formar um “C₆₀ cristal de polímero.” Este cristal se decompõe em buckyballs individuais após o reaquecimento. Enquanto isso, adicionando muito Li₃N ou uma temperatura mais severa acima de 600 oC resultou na desintegração completa das buckyballs.

Este novo carbono foi caracterizado por uma variedade de métodos e (de fato) sua caracterização não foi fácil por causa da variedade de ‘gaiolas C60 quebradas’ ligeiramente diferentes que, no entanto, mantêm suas posições em uma rede cristalina cúbica de face centrada padrão. Difração de raios-X, espectroscopia Raman, espectroscopia de ressonância magnética nuclear de estado sólido girando em ângulo mágico, microscopia eletrônica de transmissão corrigida por aberração e espalhamento de nêutrons foram usados ​​para obter uma compreensão da estrutura dessa nova forma de carbono. Simulações numéricas baseadas em uma modelagem do tipo rede neural, combinadas com os métodos experimentais mencionados acima, mostram que o LOPC é uma estrutura metaestável produzida durante a transformação de carbonos ‘tipo fulereno’ em carbonos ‘tipo grafeno’.

Os dados de “estrutura fina de absorção de raios X de borda próxima de borda de carbono” mostram um grau mais alto de deslocalização de elétrons em LOPC do que em C₆₀. A condutividade elétrica é de 1,17 × 10−2 S cm−1 à temperatura ambiente, e a condução a uma temperatura inferior a 30 Kelvin parece ser uma combinação de transporte metálico em distâncias curtas pontuadas por salto de portadora. Conhecer essas propriedades elétricas é importante para elucidar quais possíveis aplicações podem existir para esse novo tipo de carbono.

Ruoff observa: “Embora este belo novo tipo de carbono tenha muitas características fascinantes, não é uma schwarzita de carbono, de modo que o desafio experimental ainda permanece no horizonte! De fato, esse carbono é algo diferente e único – ele abre possibilidades totalmente novas em novas direções para materiais de carbono.”

A preparação de LOPC abre caminho para a descoberta de outros carbonos cristalinos a partir de C₆₀(s) — e talvez de outros fulerenos como C₇₀C₇₆C₈₄, e assim por diante. Outras opções interessantes incluiriam outro elemento. Isso pode ser feito começando com os fulerenos “endoédricos” como M@ C₆₀onde M pode ser um elemento como lantânio ou muitos outros, que é encapsulado dentro da gaiola de fulereno totalmente em carbono.

A equipe vê possíveis aplicações na colheita, transformação e armazenamento de energia; na catálise para gerar produtos químicos; e para a separação de íons moleculares ou gases. Um aspecto importante também enfatizado em seu artigo na Nature é a escalabilidade da síntese. Zhu observa que é facilmente escalável para uma escala de quilograma e, com processos de produção contínuos, pode ser possível alcançar uma produção em escala de toneladas.

“Yanwu me convidou para participar do esforço depois de algum sucesso inicial na síntese e nas etapas iniciais promissoras de seu projeto e, felizmente, pude fazer algumas sugestões úteis sobre a ciência em andamento e até a conclusão deste estudo agora publicado na Nature. Crédito para a síntese e os estudos experimentais práticos é inteiramente devido a Yanwu e sua equipe. Foi um prazer fornecer alguns conselhos sobre determinados tópicos, incluindo algumas análises a serem realizadas e o que pode ser aprendido com elas”, observa Ruoff. “A colaboração com os colegas é um dos prazeres de fazer ciência. O assunto aqui era uma nova forma de carbono, perfeitamente alinhada com os interesses do nosso centro CMCM que dirijo e que fica na UNIST. Então, pulei na colaboração com entusiasmo e uma grande vontade de tentar contribuir de maneira útil!”

Zhu disse: “O professor Ruoff é um cientista lendário em materiais de carbono e também, simplesmente em geral. Fui um pós-doutorando em seu grupo de pesquisa por 3 anos e 3 meses e, durante esses anos, aprendi muito sobre como fazer ciência dele. De fato, meus últimos anos como pós-doutorado foram gastos em um diálogo muito próximo com ele diariamente sobre o trabalho que acabou sendo publicado na Science, que por acaso também era sobre carbono ligado trivalentemente baseado em folhas semelhantes ao grafeno. e minha equipe ficou muito feliz por ele ter se juntado ao nosso esforço e contribuído fortemente para a ciência que descrevemos em nosso artigo publicado na Nature.”