Los científicos están cada vez más cerca de convertir el carbón en grafito

El grafito puro es una serie de láminas formadas por anillos de seis carbonos. Un tipo especial de enlace químico denominado «enlace aromático» mantiene unidos estos carbonos.

En los enlaces aromáticos, los electrones pi flotan por encima y por debajo de los anillos. Estas nubes de electrones «resbaladizas» hacen que las láminas se deslicen fácilmente unas sobre otras. La «mina» de los lápices -una forma de grafito de baja calidad- deja una marca en el papel porque las láminas se deslizan unas sobre otras y se pegan al papel.

Los enlaces aromáticos tienen otra virtud, importante en tecnología electrónica. Los electrones pi se mueven fácilmente de anillo a anillo y de lámina a lámina. Esto hace que el grafito conduzca la electricidad, aunque no sea un metal.

En comparación, el carbón es químicamente desordenado. A diferencia de la naturaleza estrictamente bidimensional de una lámina de grafito, tiene conexiones en tres dimensiones. También contiene hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y otros átomos que podrían alterar la formación del grafito.

El grafito es un importante material de carbono con muchos usos. Una aplicación floreciente del grafito es para los ánodos de las baterías de iones de litio

, y es crucial para la industria de los vehículos eléctricos. Por ejemplo, un Tesla Model S necesita una media de 54 kg de grafito.

Carbón simplificado

Para comenzar sus estudios, David Drabold y su equipo crearon un «carbón» simplificado que consistía únicamente en átomos de carbono en posiciones aleatorias. Al exponer este carbón simplificado a presión y alta temperatura, unos 3.000 Kelvin o casi 5.000 Fahrenheit, pudieron dar un primer paso en el estudio de su conversión en grafito.

«Para sacar el papel de grafito amorfo necesitábamos hacer muchos análisis serios», dijo Chinonso Ugwumadu, estudiante de doctorado en el grupo de Drabold. «Comparado con otros sistemas que tenemos, Bridges es el más rápido y preciso. Nuestros sistemas caseros… tardan unas dos semanas en simular 160 átomos. Con Bridges, podemos ejecutar 400 átomos en seis o siete días utilizando la teoría funcional de la densidad».

Al principio, los científicos de Ohio realizaban sus simulaciones utilizando principios físicos y químicos básicos a través de la teoría funcional de la densidad. Esta aproximación, precisa pero muy laboriosa, requería muchos cálculos en paralelo. Posteriormente, cambiaron sus cálculos a una nueva herramienta informática, GAP (potencial de aproximación gaussiano), que utiliza el aprendizaje automático para realizar esencialmente los mismos cálculos con mucha más rapidez.

Los resultados fueron más complicados de lo que el equipo esperaba. Las láminas se formaron, pero los átomos de carbono no formaron por completo anillos simples de seis carbonos. Una fracción de los anillos tenía cinco carbonos; otros, siete.

Los anillos que no son de seis carbonos plantean un problema interesante, en más de un sentido. Mientras que los anillos de seis carbonos son planos, los de cinco y siete se fruncen, pero en sentidos opuestos de «curvatura positiva y negativa».

Los científicos podrían haber esperado que estas arrugas arruinaran la formación de las láminas de grafito. Pero las láminas se formaron de todos modos, posiblemente porque los pentágonos y heptágonos se equilibraban entre sí en las simulaciones. Técnicamente, las láminas eran de grafito amorfo porque no tenían sólo seis anillos. Pero, de nuevo, formaban capas.

Nanotubos de carbono

En otra serie de simulaciones para estudiar moléculas en lugar de sólidos. Las condiciones de estas simulaciones hicieron que las láminas se curvaran sobre sí mismas. En lugar de láminas, formaron nanotubos de carbono amorfo anidados (CNT), una serie de tubos de una sola capa atómica, uno dentro de otro.

Últimamente, los CNT están de moda en la ciencia de los materiales, ya que son pequeños cables que pueden utilizarse para conducir electricidad a escalas increíblemente pequeñas.

Otras aplicaciones prometedoras de los CNT son la catálisis de pilas de combustible, la producción de supercondensadores y baterías de iones de litio, el blindaje contra interferencias electromagnéticas, las ciencias biomédicas y la nanoneurociencia.

Una faceta importante del trabajo con CNT fue que se estudió cómo las arrugas amorfas de las paredes de los tubos afectan al movimiento de la electricidad a través de la estructura. En la ciencia de los materiales, cada «error» es también una «característica»: los ingenieros pueden utilizar estas irregularidades para ajustar el comportamiento de un CNT determinado a los requisitos exactos que necesita un nuevo dispositivo electrónico.

El grupo sigue estudiando la conversión de átomos de carbono en grafeno y materiales afines.