Los nanoconos de carbono son estructuras cónicas que están hechas predominantemente de carbono y que tienen al menos una dimensión del orden de un micrómetro o más pequeña. Los nanoconos tienen una altura y un diámetro de base del mismo orden de magnitud; esto los distingue de los nanocables con punta , que son mucho más largos que su diámetro. Los nanoconos se producen en la superficie del grafito natural . Los nanoconos de carbono huecos también se pueden producir descomponiendo hidrocarburos con un soplete de plasma . La microscopía electrónica revela que el ángulo de apertura ( ápice ) de los conos no es arbitrario, sino que tiene valores preferidos de aproximadamente 19°, 39°, 60°, 85° y 113°. Esta observación se explicó mediante un modelo de la pared del cono compuesta de láminas de grafeno envueltas , donde el requisito geométrico de una conexión perfecta explicó naturalmente el carácter semidiscreto y los valores absolutos del ángulo del cono. Una nanoforma de carbono relacionada es el nanocuerno de carbono de pared simple que normalmente forma agregados de 80 a 100 nm de tamaño.
Los nanoconos de carbono se producen en un proceso industrial que descompone los hidrocarburos en carbono e hidrógeno con un soplete de plasma que tiene una temperatura de plasma superior a 2000 °C. Este método se conoce a menudo como Proceso de negro de carbono e hidrógeno de Kvaerner (CBH) y es relativamente "libre de emisiones", es decir, produce una cantidad bastante pequeña de contaminantes del aire . En ciertas condiciones bien optimizadas y patentadas, [2] el resultado de carbono sólido consta de aproximadamente un 20 % de nanoconos de carbono, un 70 % de discos de carbono planos y un 10 % de negro de carbono . [1]
La descomposición de hidrocarburos asistida por plasma es conocida desde hace mucho tiempo y se utiliza, por ejemplo, para la producción de fulerenos de carbono . Incluso si no se optimiza, produce pequeñas cantidades de nanoconos de carbono, que ya se observaron directamente con un microscopio electrónico en 1994 [3] y cuya estructura atómica se modeló teóricamente ese mismo año. [4] [5]
El cono de carbono abierto se puede modelar como una lámina de grafeno envuelta . Para tener una envoltura sin costuras y sin tensión, se debe cortar un sector de la lámina. Ese sector debe tener un ángulo de n × 60°, donde n = 1, ..., 5. Por lo tanto, el ángulo del cono resultante debe tener solo ciertos valores discretos α = 2 arcsin(1 − n /6) = 112,9°, 83,6°, 60,0°, 38,9° y 19,2° para n = 1, ..., 5, respectivamente. La lámina de grafeno está compuesta únicamente de hexágonos de carbono , que no pueden formar una tapa de cono continua. Al igual que en los fulerenos, se deben agregar pentágonos para formar una punta de cono curva, y su número es correspondientemente n = 1, ..., 5. [1]
Las observaciones de microscopía electrónica confirman la predicción del modelo de ángulos de cono discretos, aunque deben considerarse dos artefactos experimentales: la carga de las muestras de carbono mal conductoras bajo el haz de electrones, que difumina las imágenes, y que las observaciones de microscopía electrónica con una inclinación fija de la muestra solo producen una proyección bidimensional mientras que se requiere una forma 3D. El primer obstáculo se supera recubriendo los conos con una capa de metal de unos pocos nanómetros de espesor. El segundo problema se resuelve mediante un análisis de forma geométrica . Combinado con estadísticas significativas sobre el número de conos, produce ángulos de vértice semidiscretos. Sus valores se desvían de la predicción en aproximadamente un 10% debido a la precisión limitada de la medición y la ligera variación del espesor del cono a lo largo de su longitud. [1]
El espesor de las paredes de los conos varía entre 10 y 30 nm, pero puede llegar a ser de 80 nm en el caso de algunos nanoconos. Para dilucidar la estructura de las paredes de los conos, se registraron patrones de difracción de electrones en diferentes orientaciones de los conos. Su análisis sugiere que las paredes contienen entre un 10 y un 30 % de material ordenado cubierto de carbono amorfo. La microscopía electrónica de alta resolución revela que la fase ordenada consiste en capas casi paralelas de grafeno. [6] La fracción amorfa se puede convertir en grafito bien ordenado recociendo los conos a temperaturas cercanas a los 2700 °C. [1]
La característica notable de los nanoconos de carbono abiertos producidos por el proceso CBH es su forma casi ideal, con paredes rectas y bases circulares. También se observan conos no ideales, pero estos son excepciones. Una de esas desviaciones fue un cono "doble", que parecía como si un cono comenzara a crecer desde su punta con un cierto ángulo de vértice (por ejemplo, 84°), pero luego cambiara abruptamente el ángulo del vértice (por ejemplo, a 39°) en un solo punto de su superficie, produciendo así una ruptura en la sección transversal observada del cono. Otra anomalía fue un cono con el vértice extendido desde un punto a un segmento de línea, como en el filtro de café expandido (la forma plana se muestra en la imagen). [1]
También se han observado conos de carbono, desde 1968 o incluso antes, [8] en la superficie del grafito natural. Sus bases están unidas al grafito y su altura varía entre menos de 1 y 40 micrómetros. Sus paredes suelen ser curvas y menos regulares que las de los nanoconos fabricados en laboratorio. La distribución de su ángulo de vértice también muestra una característica marcada a 60°, pero otros picos esperados, a 20° y 40°, son mucho más débiles, y la distribución es algo más amplia para ángulos grandes. Esta diferencia se atribuye a la diferente estructura de la pared de los conos naturales. Esas paredes son relativamente irregulares y contienen numerosos defectos lineales ( disclinaciones de cuña positiva ). Esto rompe el requisito angular para un cono sin costuras y, por lo tanto, amplía la distribución angular. [7]
Los nanoconos de carbono se han utilizado para tapar agujas de oro ultrafinas. Estas agujas se utilizan ampliamente en la microscopía de sonda de barrido debido a su alta estabilidad química y conductividad eléctrica, pero sus puntas son propensas al desgaste mecánico debido a la alta plasticidad del oro. Agregar una fina tapa de carbono estabiliza mecánicamente la punta sin sacrificar sus otras propiedades. [9]
