Nuovi materiali 3D a base di carbonio: i superdiamanti

Una nuova classe di materiali a base di carbonio, con proprietà meccaniche ed elettroniche variabili ma legami forti come un diamante.

Il carbonio è il quarto elemento più abbondante nell’universo ed è fondamentale per la vita come la conosciamo. Non ha rivali nella sua capacità di formare strutture stabili, sia da solo che con altri elementi.

Come noto, le proprietà di un materiale sono determinate da come i suoi atomi sono legati e dalle disposizioni strutturali che questi legami creano. Per esempio, per i materiali a base di carbonio, il tipo di legame fa la differenza tra la durezza del diamante, che ha legami tridimensionali sp3, e la morbidezza della grafite, che ha legami bidimensionali sp2.

Materiali tridimensionali a base di carbonio

Nonostante l’enorme varietà dei composti del carbonio, sono noti solo una manciata di materiali tridimensionali a base di carbonio con legami sp3, incluso i diamanti. Tali materiali sono molto interessanti per numerose applicazioni pratiche, grazie alle loro proprietà tra cui resistenza, durezza e conducibilità termica.

A parte il diamante e alcuni dei suoi analoghi, quasi nessun altro materiale di carbonio sp3 è mai stato creato. Ma un team di scienziati del Carnegie Institution for Science (Stati Uniti), hanno preso in esame i clatrati, una classe di materiali che hanno una struttura reticolare a gabbia e che intrappolano altri tipi di atomi o molecole. Mentre già esistono clatrati con vari elementi e molecole, nessuno ne avevano mai sintetizzati a base di carbonio, nonostante le previsioni della loro esistenza. I ricercatori hanno tentato di crearli per più di 50 anni.

Ma gli scienziati Li Zhu e Timothy Strobele, con il loro team, hanno affrontato il problema attraverso un approccio computazionale e sperimentale combinato. In questo modo hanno sintetizzato una struttura del clatrato, con gabbie di boro-carbonio che intrappolano gli atomi di stronzio, in condizioni di alta pressione e alta temperatura.

Superdiamanti metallici

Il risultato è una struttura 3D a base di carbonio (come i diamanti) utilizzabile a condizioni ambiente. Ma, a differenza del diamante, gli atomi di stronzio così intrappolati, rendono il materiale metallico, cioè in grado di condurre elettricità e con la possibilità di diventare un superconduttore a temperature elevate.

Ma c’è di più. Le proprietà del clatrato possono cambiare a seconda dei tipi di atomi ospiti all’interno delle gabbie. A seconda degli specifici atomi ospiti presenti, il clatrato può essere manovrato da semiconduttore a superconduttore, mantenendo però legami forti come superdiamanti.

Tutto ciò lascia intendere che nascerà una tipologia completamente nuova e straordinaria di materiali a base di carbonio, con proprietà manovrabili. Materiali che, come accennato, sono stati ribattezzati superdiamanti.

I risultati dell’intero lavoro sono stati pubblicati su Science Advances.

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