La nanoespuma de carbono es un alótropo del carbono descubierto en 1997 por Andrei V. Rode y sus colaboradores en la Universidad Nacional Australiana en Canberra . [1] Consiste en un conjunto de átomos de carbono unidos en una red tridimensional suelta. La estructura de enlace de tipo fractal consiste en grupos de grafito sp 2 similares conectados por enlaces sp 3. Los enlaces sp 3 se encuentran principalmente en la superficie de la estructura y constituyen del 15% al 45% del material, lo que hace que su marco sea similar a las películas de carbono similares al diamante . [2] El material es notablemente ligero, con una densidad de 2-10 x 10 −3 g/cm 3 (0,0012 lb/ft 3 ) y es similar a un aerogel . [1] [3] Otras propiedades físicas notables incluyen la gran área superficial de 300–400 m 2 /g (similar a las zeolitas ). [4] 1 galón estadounidense (3,8 L; 0,83 galones imperiales) de nanoespuma pesa aproximadamente 0,25 onzas (7,1 g). [5]
Cada grupo tiene unos 6 nanómetros de ancho y está formado por unos 4000 átomos de carbono unidos en láminas similares al grafito a las que se les da una curvatura negativa mediante la inclusión de heptágonos entre el patrón hexagonal regular . Esto es lo opuesto de lo que ocurre en el caso de los buckminsterfullerenos en los que las láminas de carbono reciben una curvatura positiva mediante la inclusión de pentágonos .
La estructura a gran escala de la nanoespuma de carbono es similar a la de un aerogel , pero con un 1% de la densidad de los aerogeles de carbono producidos anteriormente , o solo unas pocas veces la densidad del aire a nivel del mar . A diferencia de los aerogeles de carbono , la nanoespuma de carbono es un mal conductor eléctrico . La nanoespuma contiene numerosos electrones desapareados , lo que Rode y sus colegas proponen que se debe a átomos de carbono con solo tres enlaces que se encuentran en defectos topológicos y de enlace. Esto da lugar a lo que quizás sea la característica más inusual de la nanoespuma de carbono: es atraída por imanes y por debajo de −183 °C puede volverse magnética.
La nanoespuma de carbono es la única forma de carbono puro conocida por ser ferromagnética , lo cual es inusual para un alótropo de carbono. [6] El ferromagnetismo es una propiedad intrínseca observada en la nanoespuma de carbono y puede explicarse por su estructura compleja. Las impurezas en el material se excluyen como fuente de magnetismo ya que no son suficientes para la fuerte magnetización observada. Los investigadores postulan que los átomos de carbono incrustados con electrones desapareados tienen suficiente momento magnético para provocar una fuerte magnetización. [6] La curvatura de la lámina localiza los electrones desapareados rompiendo las nubes de electrones π y protege estéricamente a los electrones que normalmente serían demasiado reactivos para persistir. El ferromagnetismo de la nanoespuma de carbono es sensible al tiempo y la temperatura. Parte del magnetismo se pierde en las primeras horas de la síntesis, sin embargo, la mayor parte es persistente. [6] La nanoespuma de carbono puede tener alguna aplicación en dispositivos espintrónicos que explotan el espín del electrón como un grado adicional de libertad .
La nanoespuma de carbono puede ser adecuada para el almacenamiento de hidrógeno debido a su baja densidad y gran área de superficie. Experimentos preliminares han demostrado que el hidrógeno se puede almacenar en la nanoespuma a temperatura ambiente en un proceso reversible. [4]
Los grupos de nanoespumas de carbono se pueden sintetizar mediante ablación láser de alta tasa de repetición en gases inertes como el argón . Los pulsos cortos ( fs ) y de baja energía (μJ) entregados a altas tasas de repetición (10 kHz – 100 MHz) generan vapores de carbono para la deposición. [2] El gas ambiente se calienta desde la temperatura ambiente con el carbono atomizado, lo que conduce a un aumento en la densidad parcial del carbono en la cámara. En condiciones óptimas, el gas inerte no se enfría, sino que mantiene su alta temperatura entre ciclos de formación. Los ciclos posteriores en la cámara se llevan a cabo a temperaturas superiores a la temperatura umbral de formación, lo que inicia el enlace sp 2. El aumento de la densidad y la temperatura promueve condiciones favorables para la formación de grupos carbonosos. La tasa de consumo excede la tasa de evaporación por ablación láser y, por lo tanto, la formación está en un estado de no equilibrio.