image: Many substances with different chemical and physical properties, from diamonds to graphite, are made up of carbon atoms. Amorphous forms of solid carbon do not have a fixed crystal structure and consist of structural units--nanosized graphene particles. A team of physicists from RUDN University studied the structure of amorphous carbon and suggested classifying it as a separate type of amorphous solid bodies: a molecular amorphic with enforced fragmentation. view more
Credit: RUDN University
A partir de los átomos de carbono se consiguen sustancias con diversas propiedades químicas y físicas, que van desde el diamante hasta el grafito. Las estructuras amorfas de carbono sólido, sustancias sin una estructura cristalina clara, se componen de unidades estructurales que son piezas nanométricas de grafeno. Unos físicos de RUDN University estudiaron las características de la estructura del carbono amorfo y propusieron distinguirla en un tipo independiente de sólidos amorfos: amorfos moleculares con fragmentación forzada. Los resultados han sido publicados en la revista Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanotructures.
El carbono sólido es una sustancia con una gran cantidad de modificaciones alotrópicas. Es decir, de los mismos átomos se obtienen sustancias que difieren en propiedades químicas y físicas dependiendo de la estructura. La variedad de alótropos de carbono es consecuencia de las propiedades especiales de sus átomos, dotados de la capacidad única de formar enlaces de valencia simple, doble y triple. Entonces, si las condiciones de origen determinan la formación de solo enlaces simples entre átomos (hibridación sp3), el carbono sólido es una red tridimensional de tetraedros (diamante). Si las condiciones de origen son favorables para la formación de enlaces dobles (hibridación sp2), el carbono sólido es una estructura que consta de capas planas formadas por celdas hexagonales y que se asemejan a un panal de abejas (grafito). Las capas individuales de este sólido se llaman grafeno. Estos dos tipos de estructuras de carbono son característicos tanto de cristales ordenados como de estructuras amorfas desordenadas. El carbono sólido está muy extendido en la naturaleza, tanto en forma de depósitos de rocas cristalinas (grafito y diamante) como de manera amorfa (carbones pardos y negros, shungita, antraxolita y otros minerales).
A diferencia del carbono cristalino, el carbono amorfo natural es del tipo sp2. Extensos estudios acerca de la estructura y composición elemental de los carbonos amorfos sp2, llevados a cabo por iniciativa y participación directa de físicos de RUDN University, complementados con estudios espectrales utilizando espectroscopía de fotoemisión, dispersión inelástica de neutrones, espectroscopía infrarroja y dispersión Raman, mostraron que el carbono amorfo sp2 es una estructura fractal, en que reposan dominios de grafeno nanométricos rodeados por átomos de otros elementos (hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, etc.). Así, los físicos de RUDN University han sugerido una nueva historia alrededor del carbono amorfo antiguo, conocido desde la antigüedad, desde la época de la primera hoguera.
"El descubrimiento y la confirmación experimental de la naturaleza del grafeno de este oro negro está dando lugar a una revolución disruptiva en la teoría, modelado e interpretación de experimentos con esta clase de sustancias. Sin embargo, algunas preguntas han quedado sin respuesta. ¿Qué representa el estado amorfo del carbono sólido desde el punto de vista de la física de estado sólido? ¿Cuál es el papel del carbono amorfo con hibridación sp2 en términos generales? Y precisamente a estas preguntas hemos intentado dar respuesta", explicó Elena Sheka, Doctora en Ciencias Físico-Matemáticas, profesora consultora de la Facultad de Física, Matemáticas y Ciencias Naturales de RUDN University.
Los físicos han investigado de manera integral la naturaleza del carbono amorfo durante dos años. Otros resultados de este ambicioso proyecto se han publicado en Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanotructures, Journal of Physical Chemistry C, Journal of Non-Crystalline Solids, Nanomaterials. En conjunto, estos artículos dan testimonio de un avance significativo alcanzado por los físicos de RUDN University en esta compleja área.
"Analizamos la investigación sobre el carbono amorfo sp2 en términos de conceptos generales de sólidos amorfos. Por tanto, podemos decir que debe atribuirse a un nuevo tipo de sustancias amorfas", expresó Elena Sheka, Doctora en Ciencias Físico-Matemáticas, profesora consultora de la Facultad de Física, Matemáticas y Ciencias Naturales de RUDN University.
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