Grafeno já era!… Conheça o Carbyno


Rice University

Nota do tradutor: o nome “Carbyne” em inglês pode ter vários significados. No caso específico, “carbyne” se refere ao (teoricamente possível) poliacetileno (-C≡C-)n e eu chamei de “carbyno”, fazendo um aportuguesamento do termo em inglês, com “y” e tudo.

O tradutor também deseja enfatizar que observou que este “press-release” é exageradamente bombástico, ao descrever uma substância que, apesar de ser teoricamente possível, ainda não foi sintetizada em quantidades suficientes para testar na prática as qualidades apregoadas, e a “American Chemical Society” é chegada a apregoar “progressos” que acabam não dando em nada…

O novo campeão dos Carbonos

Os teóricos da Universidade Rice calculam que as cadeias de carbyno, com um átomo de espessura, pode ser o material mais forte que pode existir

 IMAGEM: Concepção artística da aparência de uma cadeia de carbyno.

Clique aqui para mais informações.

HOUSTON – (9 de outubro de 2013) – O Carbyno será o mais forte de toda uma nova classe de materiais microscópicos, quando e se alguém puder sintetizá-lo em grande escala.

Se conseguirem, vão descobrir que as nano-hastes ou nano-cordas têm uma pletora de propriedades notáveis e úteis, tal como descreve um novo artigo do físico teórico Boris Yakobson, da Universidade Rice, e seu grupo. O artigo será publicado nesta semana na publicação Nano da American Chemical Society.

O Carbyno é uma cadeia de átomos de carbono ligada por ligações, ou duplas, ou, alternadamente, simples e triplas. Isso o faz um material realmente unidimensional, diferentemente das folhas de grafeno, com um único átomo de espessura, que têm um topo e um fundo, ou nano-tubos ocos que têm um lado de dentro e outro de fora.

De acordo com o retrato traçado pelos cálculos de Yakobson e seu grupo:

  • A resistência à tração – a capacidade de suportar o esticamento – supera “a de qualquer outro material conhecido” e é o dobro da do grafeno. (Os cientistas já calcularam que seria necessário um elefante, se equilibrando em cima de um lápis, para perfurar uma folha de grafeno)
  • Seu módulo de elasticidade (Young) é o dobro do grafeno e dos nano-tubos de carbono, e cerca de três vezes o do diamante.
  • Esticar o carbyno tão pouco como 10%, altera sua banda proibida (electronic band gap) significativamente.
  • Se for dotado de alças moleculares em suas extremidades, também pode ser torcido para alterar sua banda proibida. Com uma rotação de 90 graus, ele se torna um semi-condutor magnético.
  • Cadeias de carbyno podem receber moléculas colaterais, o que pode torná-las capazes de armazenar energia.
  • O material é estável a temperatura ambiente, resistindo bem à reticulação com cadeias próximas.

Isto é um notável conjunto de qualidades para uma simples cadeia de átomos de carono, como diz Yakobson.

“Se pode encará-lo como uma fita de grafeno extremamente fina, reduzida a um único átomo, ou um nano-tubo extremamente fino”, diz Yakobson. Poderia ser útil para sistemas nano-mecânicos, em dispositivos spintrônicos, como sensores, como materiais leves e fortes para aplicações mecânicas, ou para armazenagem de energia.

“Quaisquer que sejam as aplicações”, prossegue ele, “em termos acadêmicos é muito instigante conhecer a mais forte molécula possível”.

Com base nos cálculos, ele declara que o carbyno pode ser o mais alto estado de energia possível para o carbono estável. “Usualmente nos preocupamos em encontrar o “estado fundamental“, a configuração de átomos com a menor energia possível”, explica Yakobson. “No caso do carbono, este seria a grafite, seguida pelo diamante, nano-tubos e, por fim, fulerenos. Porém, ninguém se pergunta sobre a mais alta configuração de energia. Acreditamos que esta possa sê-lo, uma estrutura estável com a maior energia possível”.

As teorias sobre o carbyno começaram a aparecer no século XIX e a primeira tentativa de sintetizá-lo foi feita na URSS em 1960. Desde então, o carbyno tem sido observado em grafite comprimida, foi detectado em poeira interestelar e foi criado em pequenas quantidades pelos cientistas experimentais.

“Eu sempre me interessei pela estabilidade de fios ou qualquer outra coisa extremamente finos, e o quão fina uma haste se pode fazer com uma determinada substância química”, diz Yakobson. “Nós publicamos um artigo, há 10 anos, sobre silício, no qual explorávamos o que acontece com um nano-fio de silício na medida em que fica mais fino. Para mim, isto era apenas parte da mesma pergunta”.

Os pesquisadores da Rice, sob a liderança do estudante de pós-graduação Mingjie Liu e o pesquisador pós-doutorado Vasilii Artyukhov, tinham conhecimento de vários artigos que descreviam uma ou outra propriedade do carbyno. Eles se dispuseram a detalhar o  carbyno com modelos de computação, usando regras de lógica de primeira ordem pra estabelecer as interações energéticas dos átomos, segundo Artyukhov.

 IMAGEM: Nano-cordas ou nano-hastes de carbyno, uma cadeia de átomos de carbono, seriam mais fortes do que o carbeno ou o diamante (se puderem ser manufaturadas).

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“Nossa intenção era reunir tudo, construir um quadro mecânico completo do carbyno como material”, disse Artyukhov. “O fato dele ter sido observado nos diz que ele ao menos é estável sob tensão, senão simplesmente teria sido destruído”.

Yakobson diz que os pesquisadores ficaram surpresos em encontrar uma fixa proibida no carbyno tão sensível à torção. “Ele vai ser útil como um sensor para torção ou campos magnéticos, se conseguirmos um meio de fixá-lo a alguma coisa que o faça se enrolar”, diz ele. “Nós não estávamos procurando especificamente por isto; foi algo que surgiu como um produto colateral”.

“Isso é o que é bom em estudar as coisas cuidadosamente”, acrescenta Artyukhov.

Outra descoberta de grande interesse é a barreira de energia que impede os átomos em cadeias de carbono adjacentes de colapsarem umas sobre as outras. “Quando se fala de material teórico, é sempre bom ser cuidadoso para verificar se ele reage com ele próprio”, diz Artyukhov. “Isto nunca tinha sido realmente investigado para o carbyno”.

A literatura parecia indicar que o carbyno “não era estável e se desfaria em grafite ou fuligem”, diz ele.

Ao contrário, os pesquisadores descobriram que os átomos de carbono em cadeias separadas poderiam sobrepujar a barreira em um ponto, mas a rigidez das hastes iria impedir que elas se juntassem em outro local, ao menos em temperatura ambiente. “Iriam ficar parecidas com asas de borboleta”, disse Artyukhov.

“Novelos poderiam ficar grudados, mas não colapsariam inteiramente”, acrescenta Yakobson. “Isso poderia criar uma rede, altamente porosa e randômica, que poderia ser boa para adsorção”. Artyukhov diz que a área específica do carbyno é cerca de cinco vezes a do grafeno.

[Nota do tradutor: Alerta para hype escandaloso!] Quando o artigo da equipe ficou disponível neste verão nos arXiv, os noticiários científicos e mesmo alguns noticiários populares ficaram tão entusiasmados com os cálculos que começaram a especular sobre o artigo e suas implicações, antes que a equipe o submetesse à revisão por pares. Agora que o artigo inteiro está pronto para a publicação, os pesquisadores dizem que vão levar suas investigações em novas direções.

Eles estão examinando mais rigorosamente a condutividade do carbyno e cogitando também sobre outros elementos. “Conversamos sobre examinarmos diferentes elementos da tabela periódica para ver se alguns deles podem formar cadeias unidimensionais”, disse Yakobson.

 

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O estudante de pós-graduação da Rice, Fangbo Xu e o ex-pesquisador pós-doutorado, Hoonkyung Lee, agora professor da Universidade Konkuk na Coréia do Sul, são os co-autores do artigo.

Extrato do artigo em http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn404177r

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