A Reactive Molecular Dynamics Study on the Mechanical Properties of a Recently Synthesized Amorphous Carbon Monolayer Converted into a Nanotube/Nanoscroll

El carbono tiene un talento único para construir el futuro. Desde el grafito de un lápiz hasta el diamante en un anillo, este único elemento puede organizarse en estructuras con personalidades muy diferentes. En el mundo de la nanotecnología, los científicos han estado fascinados durante mucho tiempo por dos formas específicas hechas de átomos de carbono: diminutos tubos y espirales enrolladas. Estas estructuras son valoradas por su increíble resistencia y capacidad para conducir electricidad, lo que las convierte en candidatas potenciales para todo, desde chips de computadora más rápidos hasta paneles solares más eficientes. Sin embargo, las versiones más perfectas de estas formas suelen ser difíciles de fabricar sin defectos. Recientemente, los investigadores descubrieron una forma de crear un nuevo tipo de material de carbono que es naturalmente desordenado, compuesto por anillos de átomos que varían en tamaño en lugar de formar un patrón perfecto y repetitivo. Este material, conocido como carbono amorfo, ofrece un camino diferente hacia adelante. La gran pregunta para los científicos era si este carbono desordenado y errático aún podría mantenerse unido al ser enrollado en un tubo o una espiral, y cómo su resistencia se compararía con las versiones perfectamente ordenadas que ya conocemos.

Un equipo de investigadores de Brasil se propuso responder esto creando una simulación computacional detallada de estos nuevos materiales. No construyeron tubos físicos en un laboratorio; en su lugar, utilizaron un potente modelo digital para observar cómo se comportan los átomos individuales bajo condiciones extremas. Comenzaron con una hoja plana de este carbono amorfo recién sintetizado, un material hecho de anillos mezclados aleatoriamente de cinco, seis, siete y ocho átomos. A partir de esta hoja, construyeron virtualmente dos formas: un nanotubo, que es un cilindel, y un nanoespiral, que parece un papel enrollado con extremos abiertos. Para probar sus límites, los investigadores sometieron estas estructuras digitales a dos tipos de estrés. Primero, los estiraron para ver cuánto podían estirarse antes de romperse. Segundo, los calentaron para ver a qué temperatura se derretirían y se desmoronarían. Al comparar estas versiones amorfas contra sus contrapartes perfectas y ordenadas, el equipo esperaba comprender si el desorden natural del material lo haría débil o si podría resistir las exigencias de las aplicaciones del mundo real.

Los resultados de la simulación revelaron una diferencia fascinante en cómo estos materiales manejan el ser estirados. Cuando los tubos y las espirales perfectos y ordenados eran estirados, se mantenían firmes hasta que alcanzaban un punto crítico, en el cual se rompían de forma repentina y limpia. Las versiones amorfas, sin embargo, se comportaron de manera diferente. Antes de romperse finalmente, entraron en una extraña fase no elástica en la que comenzaron a deformarse de una manera en que las estructuras perfectas no lo hicieron. Durante este proceso de estiramiento, los investigadores observaron la formación de diminutas cadenas lineales de átomos de carbono dentro del material, una señal de que la estructura interna se estaba reorganizando bajo presión. En términos de fuerza, las estructuras perfectas eran más resistentes. Los nanotubos ordenados pudieron estirarse aproximadamente un 48 por ciento de su longitud original antes de romperse, mientras que los tubos amorfos se rompieron alrededor del 27 por ciento. Del mismo modo, las espirales ordenadas resistieron hasta un 34 por ciento de estiramiento, mientras que las amorfas fallaron en aproximadamente un 24 por ciento. Esto confirma que, aunque el material desordenado sigue siendo fuerte, no es tan resiliente a la tensión como la versión impecable.

Quizás el descubrimiento más sorprendente fue que la forma del objeto importaba menos para el material amorfo que para el perfecto. Para las estructuras ordenadas, ser un tubo o una espiral marcaba una gran diferencia en cómo reaccionaban al estrés, sugiriendo que la geometría de la forma juega un papel importante en su comportamiento. Para las versiones amorfas, sin embargo, el tubo y la espiral actuaron casi de la misma manera. El desorden interno de los átomos pareció anular la influencia de la forma, haciendo que el desorden fuera el factor dominante en el comportamiento del material. Esto sugiere que cuando los átomos de carbono se disponen de forma aleatoria, la forma específica en que se enrollan se vuelve menos importante que el hecho de que estén desordenados en primer lugar.

El estudio también analizó qué tan bien podrían sobrevivir estas estructuras a un calor intenso. Los investigadores calentaron los modelos digitales desde la temperatura ambiente hasta los 10,000 Kelvin, una temperatura mucho más caliente que la superficie del sol. Observaron para ver cuándo las estructuras sólidas perderían su forma y se convertirían en un estado similar a un gas. Los nanotubos ordenados resultaron ser los más resistentes al calor, sobreviviendo hasta los 6,300 Kelvin antes de fundirse. Los nanotubos amorfos fueron ligeramente menos estables, fundiéndose a 5,500 Kelvin. Las espirales, tanto ordenadas como desordenadas, fueron menos estables que los tubos, fundiéndose a 5,900 Kelvin y 5,100 Kelvin, respectivamente. Esto indica que, aunque las estructuras amorfas son ligeramente menos resistentes al calor que sus contrapartes perfectas, todavía poseen una notable estabilidad térmica, capaces de soportar temperaturas que destruirían a la mayoría de los otros materiales.

En última instancia, este trabajo proporciona una imagen clara de cómo se comporta una nueva y desordenada forma de carbono cuando se le da forma de nanoestructuras útiles. Las simulaciones muestran que, aunque estos tubos y espirales amorfos no son tan fuertes o resistentes al calor como las versiones perfectas, siguen siendo increíblemente robustos. El hecho de que el desorden en el material haga que la forma sea menos relevante podría ser, de hecho, una ventaja para la fabricación, ya que podría permitir más flexibilidad en cómo se producen estos materiales sin necesidad de mantener una disposición atómica perfecta. La investigación confirma que este carbono recientemente sintetizado es un candidato viable para tecnologías futuras, ofreciendo un equilibrio de fuerza y estabilidad que podría complementar la familia existente de nanomateriales basados en carbono.