Hola de nuevo mis queridos amantes de la ciencia.
Hoy les estaré compartiendo la segunda parte de un tema muy importante para la Ciencia de los Materiales. La primera Parte puedes encontrarla por acá "Ciencia de los Materiales: Alótropos cristalinos del carbono. PARTE I".
Antes de empezar, quiero destacar en esta oportunidad que los nuevos Materiales que el hombre puede Descubrir, Diseñar o Presumir, dependen estrictamente de la necesidad de la sociedad.
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MÁS SOBRE EL ÁTOMO DE CARBONO
1. Niveles energéticos y Números cuánticos.
Los átomos constan de niveles principales de densidades electrónicas. El número máximo de electrones que puede contener cada nivel se define en función de 2n2, donde n es el número cuántico principal. Cada nivel orbital, por su parte, posee subniveles donde la probabilidad de encontrar un electrón es alta si ese nivel energético está ocupado. El número cuántico secundario l es quién describe estos subniveles. Los valores permitidos para l son 0, 1, 2, 3,..., n-1. Las letras s, p, d y f son empleadas para describir a dichos subniveles.
La orientación espacial de un orbital atómico está definido por el número cuántico magnético mf. Los valores posibles de mf van desde -l hasta +l, incluyendo al cero. En general, hay 2l+1 valores permitidos para ml. Por último, los electrones pueden girar en torno a su propio eje. El número cuántico que expresa las dos direcciones de giro permitidas es el spin ms. Los valores permitidos son +1/2 y -1/2. Debe considerarse que dos electrones pueden ocupar el mismo orbital, si esto ocurre, los spines deben ser opuestos.
2. Configuración electrónica del Carbono.
La configuración electrónica de cualquier átomo representa la forma en como están distribuidos los electrones en sus orbitales. Por eso quise incluir el punto anterior. La notación está compuesta por el número cuántico principal, seguido de la letra que indica al orbital y por último, como exponente, el número de electrones admitidos en el orbital.
Nuestro ejemplo es el átomo de Carbono en su estado básico. Este tiene una configuración electrónica 1s22s22p2. Este ordenamiento indica que el carbono debería formar dos enlaces covalentes con los dos orbitales 2p llenos a la mitad de su capacidad.
Figura 1. Orbitales Híbridos en la estructura electrónica del Carbono.
| Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.
Sin embargo, en el mayor de los casos el carbono forma cuatro enlaces covalentes de igual fuerza. La explicación de esto es que uno de los orbitales 2s es promovido a un orbital 2p, de tal manera que se producen cuatro orbitales equivalente sp3. A esto se le conoce como hibridación del enlace (figura 1).
El enlace covalente tetraédrico, del cual hablamos en la Parte I, presenta esta hibridación del tipo sp3. En este enlace los cuatro orbitales híbridos sp3 están dirigidos simétricamente hacia los vértices de un tetraedro regular (figura 2).
Figura 2. Orbitales híbridos sp3 en los enlaces covanlente tetraédrico.
| Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.
MÁS ALÓTROPOS CRISTALINOS
Habiendo estudiado tres de los más importantes alótropos cristalinos del carbono, procedemos a enunciar un grupo de alótropos que resaltan debido a que sólo pueden ser descritos a escala nanométricas, "Los Fulerenos". Estos dan origen a las nanoestructuras cristalinas alotrópicas del carbono.
FULERENOS
Los Fulerenos son variaciones geométricas en el carbono formada por estructuras hexagonales a escalas nanométricas. Estos también pueden ser vistos como formas en las que una hoja de grafeno puede ser convertida. Para comprender esta definición, imaginemos todas las formas geométricas tridimensionales posibles en la que podemos convertir una hoja de papel. Pues, a estas formas se les conocen como fulerenos. En nuestro caso, la hoja es de carbono y está compuesta por anillos de hexágonos y a veces pentágonos.
Actualmente, los tipos de furelenos más conocidos son, las Buckybolas y los Nanotubos de carbono.
Buckybolas
Es un tipo bastante particular, pues, el nombre de bolas (o balls) se refiere a que su geometría es particularmente en forma de esfera. Sin embargo, si partimos desde una hoja de grafeno, compuesta de hexágonos, nos es imposible simular una esfera. El caso más ejemplar que tenemos es el balón de fútbol. El balón está compuesto de una cantidad determinada de hexágonos y pentágonos dispuestos en una configuración para formar la esfera (figura 3a).
Figura 3. (a) Balón de futbol. (b) Estructura cristalina de las buckybolas. | Fuente (a): Wiki, Autor: Leyo.
Fuente (b): Wiki, Autor: Benjah-bmm27. | Edición: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.
Basándonos en este ejemplo, podemos demostrar que la disposición geométrica de las buckybolas está compuesta por veinte hexágonos y doce pentágonos que forman una esfera hueca (figura 3b). Está también conocido como Buckminsterfulereno, en honor a las similaridad con las figuras del arquitecto americano Richard Buckminster "Bucky" Fuller. Además, es el fulereno natural más común y se puede encontrar en pequeñas cantidades en el hollín.
En el cristal buckminsterfulereno, las moléculas adoptan la estructura fcc (Cúbico centrada en las caras). Con una transición de fase de primer orden a una estructura fcc y un aumento pequeño en el parámetro de red. En su forma sólida es tan suave como el grafito, pero cuando se expone a altas presiones se transforma en una especie de diamante. Es un semiconductor tipo n con una brecha de energía, por absorción óptica, de ≈ 1,6 eV. Dopado con ciertos metales alcalinos puede convertirse en un conductor e incluso un superconductor.
Nanotubos de Carbono
Quienes hemos jugado a hacer figuras con las hojas de papel nos identificaremos con este ejemplo. En mi niñez solía hacer telescopios de papel. Tan sólo necesitaba enrollar la hoja de papel de un lado al otro en forma de tubo y comenzaba mi aventura.
Esta breve anécdota hace alusión a los nanotubos de carbono. Si enrollásemos en forma de tubo una hoja de grafeno, entonces, obtendremos nanotubos de carbono. En términos técnicos, estos son moléculas de carbono con una nanoestructura cilíndrica y hueca.
Figura 4. Estructura de los nanotubos de carbono. Fuente: Wiki, Autor: Mstroeck.
| Edición: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.
Estas hojas de grafeno se enrollan en ángulos específicos y discretos, y la combinación entre el ángulo quiral y el diámetro determinan las propiedades del nanotubo. A diferencia del grafeno, que es un semimetal bidimensional, los nanotubos de carbono son metálicos o semiconductores a lo largo del eje tubular. En la notación (n y m) para los nanotubos de carbono, si n = m , el nanotubo es metálico; si n - m es un múltiplo de 3 y n ≠ m y nm ≠ 0, entonces el nanotubo es casi metálico con una banda muy pequeña, de lo contrario, el nanotubo es un semiconductor moderado. Los parámetros n y m determinan, a su vez, el tipo de nanotubo.
Los nanotubos de carbono, también se conocen como buckytubos, y se caracterizan por tener propiedades valiosas para la nanotecnología, la electrónica, entre otros campos, debido a sus excelentes propiedades mecánicas, eléctricas, electroquímicas, térmicas y ópticas.
Fuente: Wiki, Autor: APPER
Pequeñas variaciones o inclusiones dentro de la estructura de las buckybolas y los nanotubos de carbono, producen un número de alótropos del carbono que no serán estudiados en este post.
El mayor problema de estos materiales es la dificultad para producirlos en masa. Estos alótropos, generalmente, aparecen en pequeñas proporciones en conjunto con muestras carbonosas como el grafito o carbono amorfo. Hasta el momento no se ha logrado conseguir grandes proporciones de nanotubos de carbono. Sin embargo, se ha logrado separar buckybolas de alta pureza de muestras carbonosas aprovechando su solubilidad en el tolueno.
Este es un tema del cuál poseo pocos conocimientos. No obstante, me compleceré en sólo hablarles e introducirles a este maravilloso mundo. Muchas gracias querida comunidad STEEM.
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REFERENCIAS CONSULTADAS
- Mckelvey, John P. (1976). Física del estado sólido y de semiconductores. México. Editorial Limusa. P.13-18 y P.269-284.
- Smith, William F. (2006). "Fundamentos de la ciencia e ingeníeria de materiales". México. Editorial McGRAW-HILL Interamericana. 4ta edicion. Traducido por Gabriel Cázares y Pedro González.
- Callister, William Jr. (1985). "Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales". Editorial Reverté.
- Crespi, Vincent H.(2004). "Nanotubes and Buckyballs". USA, Washington. 7thWave, Inc. [PDF online].
- Ansón, Alejandro. (2005). "Nanotubos de Carbono: Estructura porosa y sus implicaciones en el campo de la energía". España, Zaragoza. Tesis Doctoral. [PDF online].
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Saludos @djredimi2 felicitaciones por tu post, desde tiempos antiguos el hombre ha fabricado nanomateriales, pero al carecer de Instrumentos de medición y Observación, sencillamente ignoraba este hecho. El acero Damasco, por ejemplo, se conocía en la antigüedad y era famoso por su resistencia y dureza, estudios posteriores permitieron ver la presencia de Nanotubos de Carbono en su composición. Hoy en día se conocen sus propiedades y existen aplicaciones en el reforzamiento de materiales , los esfuerzos hoy en día están enfocados en aplicaciones en áreas como agricultura, medicina y descontaminación de agua, aire y suelos. Saludos!!
Saludos mi estimado @wilmer14molina. Muy buen comentario. Definitivamente es importante lo que dices. El hombre siempre ha estudiado su entorno con los instrumentos que posee. No obstante han destacado amantes de la ciencia, que desarrollaron (y siguen desarrollando) los instrumentos que permiten el avance en ciencia y tecnología. Definitivamente, la detección de partículas nanoscopicas, ha resaltado en la ciencia actual. Los nanotubos de Carbono, por ejemplo, son creados para modificar y mejorar las propiedades de materiales con propiedades intrínsecamente importantes. Esto provoca el posible mejoramiento de infinitos materiales para las aplicaciones que tu nos nombras, entre otras.
Hola @djredimi2 , muy interesante tu post, bastante buena la introducción a la cuántica, parte de la ciencia que actualmente quiero profundizar. Me pareció muy oportuna tu mención acerca de los nanotubos de carbono, hace poco leí un articulo divulgativo acerca del aporte científico de Mildred Dresselhaus, en cual se resaltaba el desarrollo de tecnologías (en el futuro), para producir este tipo de estructuras y su gran abanico de posibilidades, incluyendo la sustitución de la fibra óptica y mejoramiento de muchos otros materiales que conocemos hoy en días… Buen post, saludos.
Hola @aleestra. Las múltiples aplicaciones de los nanotubos de carbono, resaltan debido a las posibilidades de comportarse como conductor y semiconductor estando en su forma básica. Actualmente, el problema abordado por la Ciencia de los Materiales, es la necesidad de poder controlar esto es un laboratorio, así también como producir estos materiales en masa. Es tan caro producir estos materiales en grandes cantidades, que el trabajo muchas veces está limitado. Sin embargo no hay nada imposible que con el tiempo no se pueda resolver.
Oye que bueno que también estés introducida en el mundo de la cuántica. Espero leerte pronto. Gracias por tu comentario.
Así es, totalmente de acuerdo. Igualmente por acá, espero leer pronto la siguiente parte de esta temática, saludos.
Excelente artículo, estimado @djreimi2. Siempre enseñándonos más sobre la física. Saludos.