Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han descubierto una nueva fase de carbono sólido, llamada Q-carbon, que es distinta de las fases conocidas de grafito y diamante. También han desarrollado una técnica para usar Q-carbon para hacer diamantes relacionadosestructuras a temperatura ambiente y a presión atmosférica ambiental en el aire.
Las fases son formas distintas del mismo material. El grafito es una de las fases sólidas del carbono; el diamante es otra.
"Ahora hemos creado una tercera fase sólida de carbono", dice Jay Narayan, el Profesor Distinguido John C. Fan Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en NC State y autor principal de tres artículos que describen el trabajo ". El único lugarse puede encontrar en el mundo natural posiblemente en el núcleo de algunos planetas "
Q-carbon tiene algunas características inusuales. Por un lado, es ferromagnético, que otras formas sólidas de carbono no lo son.
"Ni siquiera pensamos que eso fuera posible", dice Narayan.
Además, el Q-carbono es más duro que el diamante y brilla cuando se expone a niveles de energía incluso bajos.
"La fuerza de Q-carbon y su baja función de trabajo, su disposición a liberar electrones, lo hacen muy prometedor para desarrollar nuevas tecnologías de pantallas electrónicas", dice Narayan.
Pero Q-carbon también se puede usar para crear una variedad de objetos de diamante de cristal único. Para comprender eso, debe comprender el proceso para crear Q-carbon.
Los investigadores comienzan con un sustrato, como el zafiro, el vidrio o un polímero plástico. El sustrato se recubre con carbono amorfo, carbono elemental que, a diferencia del grafito o el diamante, no tiene una estructura cristalina regular y bien definidaEl carbono se golpea con un solo pulso láser que dura aproximadamente 200 nanosegundos. Durante este pulso, la temperatura del carbono se eleva a 4.000 Kelvin o alrededor de 3.727 grados Celsius y luego se enfría rápidamente. Esta operación se lleva a cabo en una atmósfera:- La misma presión que el aire circundante.
El resultado final es una película de Q-carbon, y los investigadores pueden controlar el proceso para hacer películas de entre 20 nanómetros y 500 nanómetros de espesor.
Al usar diferentes sustratos y cambiar la duración del pulso láser, los investigadores también pueden controlar qué tan rápido se enfría el carbono. Al cambiar la velocidad de enfriamiento, pueden crear estructuras de diamante dentro del carbono Q.
"Podemos crear nanoneedles o microagujas de diamante, nanodots o películas de diamante de gran área, con aplicaciones para el suministro de medicamentos, procesos industriales y para crear interruptores de alta temperatura y electrónica de potencia", dice Narayan. "Estos objetos de diamante tienen un soloestructura cristalina, haciéndolos más fuertes que los materiales policristalinos. Y todo se hace a temperatura ambiente y en atmósfera ambiente, básicamente estamos usando un láser como los que se usan para la cirugía ocular con láser. Por lo tanto, esto no solo nos permitedesarrollar nuevas aplicaciones, pero el proceso en sí es relativamente económico "
Y, si los investigadores quieren convertir más Q-carbon en diamante, simplemente pueden repetir el proceso de pulso láser / enfriamiento.
Si Q-carbon es más duro que el diamante, ¿por qué alguien querría hacer nanodots de diamantes en lugar de Q-carbon? Porque todavía tenemos mucho que aprender sobre este nuevo material.
"Podemos hacer películas de Q-carbon, y estamos aprendiendo sus propiedades, pero todavía estamos en las primeras etapas de entender cómo manipularlo", dice Narayan. "Sabemos mucho sobre el diamante, por lo que podemos hacernanodots de diamante. Todavía no sabemos cómo hacer nanodots o microagujas Q-carbon. Eso es algo en lo que estamos trabajando ".
NC State ha presentado dos patentes provisionales sobre las técnicas de creación de Q-carbon y diamante.
El trabajo se describe en dos documentos, ambos escritos por la estudiante de doctorado estatal de Carolina del Norte, Anagh Bhaumik. "La nueva fase de carbono, ferromagnetismo y conversión en diamante" se publicará en línea el 30 de noviembre en el Revista de Física Aplicada . "La conversión directa de carbono amorfo en diamante a presiones y temperaturas ambientales en el aire" se publicó el 7 de octubre en la revista Materiales APL . El trabajo fue apoyado en parte por la National Science Foundation, con el número de subvención DMR-1304607.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad Estatal de Carolina del Norte . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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