El carbono amorfo es carbono libre, reactivo y sin estructura cristalina . Los materiales de carbono amorfo pueden estabilizarse mediante la terminación de enlaces π colgantes con hidrógeno . Al igual que con otros sólidos amorfos , se puede observar cierto orden de corto alcance. El carbono amorfo suele abreviarse como aC para el carbono amorfo general, aC:H o HAC para el carbono amorfo hidrogenado, o como ta-C para el carbono amorfo tetraédrico (también llamado carbono tipo diamante ). [1]
En mineralogía , el carbono amorfo es el nombre que se utiliza para el carbón , el carbono derivado del carburo y otras formas impuras de carbono que no son ni grafito ni diamante. Sin embargo, en un sentido cristalográfico , los materiales no son verdaderamente amorfos sino más bien materiales policristalinos de grafito o diamante [2] dentro de una matriz de carbono amorfo . El carbono comercial también suele contener cantidades significativas de otros elementos, que también pueden formar impurezas cristalinas.
Con el desarrollo de técnicas modernas de deposición y crecimiento de películas delgadas en la segunda mitad del siglo XX, como la deposición química en fase de vapor , la deposición catódica y la deposición por arco catódico , se hizo posible fabricar materiales de carbono verdaderamente amorfos.
El carbono amorfo verdadero tiene electrones π localizados (a diferencia de los enlaces π aromáticos del grafito), y sus enlaces se forman con longitudes y distancias que son inconsistentes con cualquier otro alótropo del carbono . También contiene una alta concentración de enlaces colgantes; estos causan desviaciones en el espaciamiento interatómico (medido mediante difracción ) de más del 5%, así como una variación notable en el ángulo de enlace. [2]
Las propiedades de las películas de carbono amorfo varían según los parámetros utilizados durante la deposición. El método principal para caracterizar el carbono amorfo es a través de la relación de enlaces hibridados sp2 a sp3 presentes en el material. El grafito consta exclusivamente de enlaces hibridados sp2 , mientras que el diamante consta exclusivamente de enlaces hibridados sp3 . Los materiales con un alto contenido de enlaces hibridados sp3 se denominan carbono amorfo tetraédrico, debido a la forma tetraédrica formada por los enlaces hibridados sp3 , o carbono similar al diamante (debido a la similitud de muchas propiedades físicas con las del diamante).
Experimentalmente, las relaciones sp 2 a sp 3 se pueden determinar comparando las intensidades relativas de varios picos espectroscópicos (incluyendo EELS , XPS y espectroscopia Raman ) con las esperadas para el grafito o el diamante. En trabajos teóricos, las relaciones sp 2 a sp 3 se obtienen a menudo contando el número de átomos de carbono con tres vecinos enlazados frente a aquellos con cuatro vecinos enlazados. (Esta técnica requiere decidir sobre una métrica algo arbitraria para determinar si los átomos vecinos se consideran enlazados o no, y por lo tanto se utiliza simplemente como una indicación de la relación sp 2 -sp 3 relativa ).
Aunque la caracterización de los materiales de carbono amorfo mediante la relación sp 2 -sp 3 puede parecer indicar un rango unidimensional de propiedades entre el grafito y el diamante, esto definitivamente no es así. Actualmente se están realizando investigaciones para encontrar formas de caracterizar y ampliar el rango de propiedades que ofrecen los materiales de carbono amorfo.
Todas las formas prácticas de carbono hidrogenado (por ejemplo, humo, hollín de chimeneas, carbón extraído como el betún y la antracita) contienen grandes cantidades de alquitranes de hidrocarburos aromáticos policíclicos y, por lo tanto, son casi con certeza cancerígenos.
Se afirma que el carbono Q , abreviatura de carbono templado, es un tipo de carbono amorfo que es ferromagnético , eléctricamente conductor , más duro que el diamante [3] y capaz de exhibir superconductividad a alta temperatura . [4] Un grupo de investigación dirigido por el profesor Jagdish Narayan y el estudiante de posgrado Anagh Bhaumik en la Universidad Estatal de Carolina del Norte anunció el descubrimiento del carbono Q en 2015. [5] Han publicado numerosos artículos sobre la síntesis y caracterización del carbono Q, [6] pero años después, no existe una confirmación experimental independiente de esta sustancia y sus propiedades.
Según los investigadores, el carbono Q exhibe una estructura amorfa aleatoria que es una mezcla de enlaces de 3 vías ( sp2 ) y 4 vías (sp3 ) , en lugar del enlace sp3 uniforme que se encuentra en los diamantes. [7] El carbono se funde utilizando pulsos láser de nanosegundos, luego se enfría rápidamente para formar carbono Q, o una mezcla de carbono Q y diamante. El carbono Q puede adoptar múltiples formas, desde nanoagujas hasta películas de diamante de gran superficie. Los investigadores también informaron sobre la creación de nanodiamantes con vacantes de nitrógeno [8] y nitruro de boro Q (Q-BN), así como la conversión de carbono en diamante y h-BN en c-BN [9] a temperaturas ambiente y presiones de aire. [10] El grupo obtuvo patentes sobre materiales q y tenía la intención de comercializarlos. [11]
En 2018, un equipo de la Universidad de Texas en Austin utilizó simulaciones para proponer explicaciones teóricas de las propiedades reportadas del carbono Q, incluida la superconductividad de alta temperatura récord, el ferromagnetismo y la dureza. [12] [13] Sin embargo, sus simulaciones no han sido verificadas por otros investigadores.