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Los investigadores chinos realizaron simulaciones y descubrieron que una versión de grafeno que contiene un pentágono es teóricamente estable. El alótropo 2D del carbono está formado por una lámina de átomos de carbono del grosor de un átomo dispuestos en un patrón de pentágono repetitivo, mientras que el grafeno está formado por átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal, como una tela metálica. El grafeno es el material más fuerte del mundo y un fantástico conductor eléctrico, entre otras maravillosas propiedades, pero el penta-grafeno sería aún más fuerte y posiblemente más útil en la electrónica, ya que viene fácilmente como semiconductor. El único gran desafío al que se enfrentan los investigadores es sintetizar el patrón del pentágono de carbono en 2D, y el equipo chino ya tiene algunas ideas en mente. Vale la pena considerar que alguna vez se pensó que el grafeno era imposible de sintetizar.

Más fuerte, mejor grafeno

El pentagrafeno sería un alótropo de carbono bidimensional único compuesto exclusivamente por pentágonos. Crédito: Wang

Qian Wang, investigadora de la Universidad de Pekín, tuvo la primera idea de estudiar el pentagrafeno después de ver una obra de arte en la pared de un restaurante de Pekín que mostraba baldosas de calles en forma de pentágono.

Cuando vi la decoración de la pared con un patrón de mosaico pentagonal, concebí la idea de construir una lámina de carbono 2D usando solo pentágonos, dice ella.

Le dije a mi esposo, ¡Ven, mira! Este es un patrón compuesto solo por pentágonos”, dijo. Tomé una foto y se la envié a uno de mis alumnos, y dije: Creo que podemos hacer esto. Podría ser estable. Pero debes revisarlo cuidadosamente. Lo hizo, y resultó que esta estructura es tan hermosa pero también muy simple.

Inspirado, Wang trabajó junto con investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei, la Universidad de Tohoku en Japón y la Universidad Virginia Commonwealth en los EE. UU. para ver si el pentagrafeno sería posible. Sorprendentemente, las simulaciones no solo mostraron que es estable, sino que también debería ser más fuerte que el grafeno convencional y ser capaz de soportar temperaturas más altas, hasta 730C.

El equipo utilizó simulaciones para mostrar la posible disposición de los átomos de carbono en el pentagrafeno. Crédito: PNAS

Si bien tiene propiedades mecánicas muy atractivas, el pentagrafeno, si alguna vez se sintetiza, podría convertirse en una fantástica materia prima para la electrónica. El grafeno exhibe una movilidad de portador de carga excepcionalmente alta, lo que lo hace atractivo para futuras aplicaciones electrónicas. Desafortunadamente, tampoco tiene banda prohibida, por lo que debemos alterarlo químicamente con impurezas para convertirlo en un semiconductor. El pentagrafeno, por otro lado, es un semiconductor natural. Esto podría resultar potencialmente útil para la fabricación de nanotubos de carbono (CNT), ya que los procesos de síntesis de CNT actuales producen una mezcla de CNT metálicos y semiconductores, según la orientación de los hexágonos cuando se enrolla una hoja de grafeno. Por el contrario, enrollar una hoja de pentagrafeno solo debería producir CNT semiconductores. El pentagrafeno también es auxético, lo que lo hace ideal para cualquier cosa, desde circuitos electrónicos hasta chalecos antibalas.

Si estiras el grafeno, se expandirá en la dirección en la que se estira, pero se contraerá en la dirección perpendicular, explica Wang. Sin embargo, si estira el pentagrafeno, se expandirá en ambas direcciones.

En el grafeno, cada átomo de carbono está unido sp2 a otros 3 átomos de carbono, formando una red hexagonal bidimensional. En el diamante, cada átomo de carbono está unido sp3 a otros 4 átomos de carbono, formando una red tridimensional. En este trabajo, los autores describen una forma de llenar un plano bidimensional con átomos de carbono en el que algunos están enlazados a 3 vecinos y otros a 4. El resultado es una hoja combada (no puramente bidimensional) de átomos que forman un mosaico de pentágonos no regulares (en comparación con el mosaico de grafenos de hexágonos regulares).

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El pentagrafeno tiene varias propiedades interesantes e inusuales. Por ejemplo, el pentagrafeno es un semiconductor, mientras que el grafeno es un conductor de electricidad. Crédito: PNAS

Algunos materiales 3D contienen carbono con patrón hexagonal y pentágono, como las bolas de bucky C 60 esféricas, pero hasta ahora los científicos solo han podido sintetizar un único nanomaterial de carbono hecho exclusivamente de pentágonos en forma de jaula C 20. Wang y su equipo sugieren que el penta-grafeno 2D podría recolectarse pelando láminas individuales de un material en capas conocido como carbono T12, otra disposición de carbono puramente teórica. La simulación del pentahexágono se informó en la revista PNAS .

Estamos buscando algunos grupos experimentales en China que sean buenos para sintetizar nuevos materiales, dice Wang. El pentagrafeno es energéticamente más estable que el C 20 [y por eso] esperamos que no sea tan difícil de sintetizar.

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