Una forma más fácil de crear "diamantes flexibles"
Una técnica original predice y guía la creación ordenada de nanohilos de diamante fuertes pero flexibles
Tan duros como el diamante y tan flexibles como el plástico, los codiciados nanohilos de diamante estarían a punto de revolucionar nuestro mundo, si no fueran tan difíciles de fabricar.
Concepción artística que muestra cómo se produce la síntesis guiada de nanohilos de diamante cuando el material de partida se comprime entre las puntas de dos diamantes. Esta célula de yunque de diamante es una herramienta frecuentemente utilizada para llevar la materia a presiones extremas y los científicos de Carnegie han sido líderes pioneros en el despliegue de esta técnica de investigación durante décadas.
Samuel Dunning
Recientemente, un equipo de científicos dirigido por Samuel Dunning y Timothy Strobel, de Carnegie, ha desarrollado una técnica original que predice y guía la creación ordenada de nanohilos de diamante resistentes, pero flexibles, superando varios retos existentes. La innovación facilitará a los científicos la síntesis de los nanohilos, un paso importante para aplicar el material a problemas prácticos en el futuro. El trabajo se ha publicado recientemente en el Journal of the American Chemical Society.
Los nanohilos de diamante son cadenas de carbono ultrafinas y unidimensionales, decenas de miles de veces más finas que un cabello humano. Suelen crearse comprimiendo anillos de carbono más pequeños para formar el mismo tipo de enlace que hace que los diamantes sean el mineral más duro de nuestro planeta.
Sin embargo, en lugar del entramado de carbono tridimensional que se encuentra en un diamante normal, los bordes de estos hilos están "tapados" con enlaces carbono-hidrógeno, que hacen que toda la estructura sea flexible.
Dunning explica: "Como los nanohilos sólo tienen estos enlaces en una dirección, pueden doblarse y flexionarse de un modo que los diamantes normales no pueden".
Los científicos predicen que las propiedades únicas de los nanohilos de carbono tendrán toda una serie de aplicaciones útiles, desde proporcionar un andamiaje similar al de la ciencia ficción en los ascensores espaciales hasta crear tejidos ultrarresistentes. Sin embargo, los científicos han tenido dificultades para crear suficiente material de nanohilos para probar realmente sus superpoderes propuestos.
"Si queremos diseñar materiales para aplicaciones específicas", dice Dunning, "es esencial que entendamos con precisión la estructura y la unión de los nanohilos que estamos fabricando. Este método de dirección de hilos nos permite hacerlo".
Uno de los mayores retos es conseguir que los átomos de carbono reaccionen de forma predecible. En los nanohilos hechos de benceno y otros anillos de seis átomos, cada átomo de carbono puede sufrir reacciones químicas con diferentes vecinos. Esto da lugar a muchas reacciones posibles que compiten entre sí y a muchas configuraciones diferentes de los nanohilos. Esta incertidumbre es uno de los mayores obstáculos a los que se enfrentan los científicos para sintetizar nanohilos en los que se pueda determinar la estructura química exacta.
El equipo de Dunning determinó que añadir nitrógeno al anillo en lugar de carbono podría ayudar a guiar la reacción por una vía predecible. Decidieron comenzar su trabajo con la piridazina -un anillo de seis átomos formado por cuatro carbonos y dos nitrógenos- y comenzaron a trabajar en un modelo informático. Dunning trabajó con Bo Chen, del Centro Internacional de Física de Donostia, y Li Zhu, profesor adjunto de Rutgers y ex alumno de Carnegie, para simular cómo se comportan las moléculas de piridazina a alta presión.
"En nuestro sistema, utilizamos dos átomos de nitrógeno para eliminar dos posibles sitios de reacción del sistema de anillos. Esto reduce drásticamente el número de reacciones posibles", afirma Dunning.
Tras realizar varias simulaciones por ordenador que mostraban la formación de nanohilos a alta presión, estaban preparados para llevar el experimento al laboratorio.
El equipo tomó una gota de piridazina y la cargó en una célula de yunque de diamante, un dispositivo que permite a los científicos producir presiones extremas comprimiendo las muestras entre las diminutas puntas de los diamantes más tradicionales. Mediante espectroscopia de infrarrojos y difracción de rayos X, controlaron los cambios en la estructura química de la piridazina hasta unas 300.000 veces la presión atmosférica normal, buscando la creación de nuevos enlaces.
Cuando vieron que se formaban los enlaces, se dieron cuenta de que habían predicho y creado con éxito el primer nanohilo de diamante de piridazina en el laboratorio.
"Nuestra vía de reacción produce un nanohilo increíblemente ordenado", dijo Dunning. "La capacidad de incorporar otros átomos a la columna vertebral del nanohilo, guiar la reacción y comprender el entorno químico del nanohilo ahorrará a los investigadores un tiempo inestimable en el desarrollo de la tecnología de nanohilos".
Este proceso de utilización de estos átomos ajenos al carbono para guiar la formación de los nanohilos, que Dunning denomina "dirección de hilos", es un paso importante hacia un futuro en el que los científicos puedan crear de forma predecible estos materiales y utilizarlos para aplicaciones avanzadas. Ahora que se ha descubierto esta estrategia sintética, Dunning tiene previsto identificar y probar los numerosos precursores posibles de los nanohilos.
También está impaciente por empezar a poner a prueba los nanohilos de piridazina.
Dunning concluyó: "Ahora que sabemos que podemos fabricar este material, tenemos que empezar a fabricar los suficientes para aprender a determinar las propiedades mecánicas, ópticas y electrónicas".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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