Schwarzitas: Una Estructura de Carbono Largamente Buscada se une a la Familia del Grafeno y el Fullereno

El descubrimiento de las buckybolas sorprendió y deleitó a los químicos en la década de 1980, los nanotubos entusiasmaron a los físicos en la década de 1990 y el grafeno entusiasmó a los científicos de materiales en la década de 2000, pero una estructura de carbono a nanoescala -una superficie curvada negativamente llamada Schwarzita- ha sido eludida por todos. Hasta ahora.

Químicos de la Universidad de Berkeley han demostrado que tres estructuras de carbono creadas recientemente por científicos de Corea del Sur y Japón son, de hecho, las largamente buscadas schwarzitas, que los investigadores predicen que tendrán propiedades eléctricas y de almacenamiento únicas como las que se están descubriendo ahora en los buckminsterfullerenos (buckybolas o fullerenos para abreviar), los nanotubos y el grafeno.

Las nuevas estructuras se construyeron dentro de los poros de las zeolitas, formas cristalinas de dióxido de silicio -arena- más utilizadas como ablandadores de agua en los detergentes para ropa y para craquear catalíticamente el petróleo en gasolina. Las estructuras, denominadas carbones templados de zeolita (ZTC), se estaban investigando por sus posibles propiedades interesantes, aunque sus creadores desconocían su identidad como schwarzitas, en las que los químicos teóricos llevan décadas trabajando.

Basándose en este trabajo teórico, los químicos predicen que las schwarzitas tendrán propiedades electrónicas, magnéticas y ópticas únicas que las harían útiles como supercondensadores, electrodos de baterías y catalizadores, y con grandes espacios internos ideales para el almacenamiento y la separación de gases.

Efrem Braun, becario postdoctoral de la Universidad de Berkeley, y sus colegas identificaron estos materiales de ZTC como schwarzitas, basándose en su curvatura negativa, y desarrollaron una forma de predecir qué zeolitas pueden utilizarse para hacer schwarzitas y cuáles no.

 "Ahora tenemos la receta de cómo fabricar estas estructuras, lo cual es importante porque, si podemos fabricarlas, podemos explorar su comportamiento, algo en lo que estamos trabajando intensamente", dijo Berend Smit, profesor adjunto de ingeniería química y biomolecular en la UC Berkeley y experto en materiales porosos como las zeolitas y los marcos metal-orgánicos.

Smit, el autor correspondiente del artículo, Braun y sus colegas de Suiza, China, Alemania, Italia y Rusia informarán de su descubrimiento esta semana en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Smit es también científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Jugando con el carbono

El diamante y el grafito son disposiciones cristalinas tridimensionales de carbono puro muy conocidas, pero los átomos de carbono también pueden formar "cristales" bidimensionales: disposiciones hexagonales con patrones similares a los del alambre de gallinero. El grafeno es una de estas disposiciones: una lámina plana de átomos de carbono que no sólo es el material más resistente de la Tierra, sino que también tiene una alta conductividad eléctrica que lo convierte en un prometedor componente de los dispositivos electrónicos.

Las láminas de grafeno pueden enrollarse para formar fullerenos con forma de balón de fútbol, jaulas esféricas de carbono que pueden almacenar moléculas y que hoy se utilizan para administrar fármacos y genes en el cuerpo. Al enrollar el grafeno en un cilindro se obtienen unos fullerenos llamados nanotubos, que se están estudiando hoy como cables altamente conductores en electrónica y como recipientes de almacenamiento de gases como el hidrógeno y el dióxido de carbono. Todos ellos son submicroscópicos, 10.000 veces más pequeños que la anchura de un cabello humano.

Sin embargo, hasta la fecha sólo se han sintetizado fullerenos con curvatura positiva y grafeno, que tiene curvatura cero, hazañas recompensadas con los premios Nobel de 1996 y 2010, respectivamente.

En la década de 1880, el físico alemán Hermann Schwarz investigó las estructuras de curvatura negativa que se asemejan a las superficies de las burbujas de jabón, y cuando los trabajos teóricos sobre las moléculas de la jaula de carbono se intensificaron en la década de 1990, el nombre de Schwarz quedó unido a las hipotéticas láminas de carbono de curvatura negativa.

"La validación experimental de la schwarzita completa así el triunvirato de posibles curvaturas del grafeno: la curvatura positiva, la plana y ahora la negativa", añadió Braun.

Minimizarme

Al igual que las burbujas de jabón en las estructuras de alambre, las schwarzitas son superficies topológicamente mínimas. Cuando se fabrican dentro de una zeolita, se inyecta un vapor de moléculas que contienen carbono, lo que permite que éste se ensamble en una hoja bidimensional parecida al grafeno que recubre las paredes de los poros de la zeolita. La superficie se estira para minimizar su área, lo que hace que todas las superficies se curven negativamente, como una silla de montar. A continuación, la zeolita se disuelve, dejando atrás la schwarzita.

"Estos carbones de curvatura negativa han sido muy difíciles de sintetizar por sí mismos, pero resulta que se puede hacer crecer la película de carbono catalíticamente en la superficie de una zeolita", dijo Braun. "Pero las schwarzitas sintetizadas hasta la fecha se han hecho eligiendo plantillas de zeolita por ensayo y error. Proporcionamos instrucciones muy sencillas que se pueden seguir para fabricar schwarzitas de forma racional y demostramos que, eligiendo la zeolita adecuada, se pueden afinar las schwarzitas para optimizar las propiedades que se deseen."

Los investigadores deberían ser capaces de empaquetar cantidades inusualmente grandes de carga eléctrica en las schwarzitas, lo que las convertiría en mejores condensadores que los convencionales utilizados hoy en día en la electrónica. Su gran volumen interior también permitiría almacenar átomos y moléculas, algo que también se está explorando con los fullerenos y los nanotubos. Y su gran superficie, equivalente a la de las zeolitas en las que se cultivan, podría hacerlos tan versátiles como las zeolitas para catalizar reacciones en las industrias del petróleo y el gas natural.

La estructura de jaula tridimensional de una schwarzita que se formó dentro de los poros de una zeolita. (Gráficos de Yongjin Lee y Efrem Braun)

Braun modeló computacionalmente las estructuras de ZTC utilizando las estructuras conocidas de las zeolitas, y trabajó con la matemática topológica Senja Barthel, de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Sion (Suiza), para determinar a qué superficies mínimas se parecían las estructuras.

El equipo determinó que, de las aproximadamente 200 zeolitas creadas hasta la fecha, sólo 15 pueden utilizarse como plantilla para fabricar schwarzitas, y sólo tres de ellas se han utilizado hasta la fecha para producir ZTC de schwarzita. Sin embargo, se han predicho más de un millón de estructuras de zeolita, por lo que podría haber muchas más estructuras posibles de carbono de schwarzita fabricadas con el método de la plantilla de zeolitas.

Artículo: University of California Berkeley Original Article