La scoperta dei buckyball sorprese e deliziò i chimici negli anni '80, i nanotubi hanno stimolato i fisici negli anni '90, e il grafene hanno caricato gli scienziati dei materiali negli anni 2000, ma una struttura di carbonio su scala nanometrica, una superficie curva negativamente chiamata schwarzite, è sfuggita a tutti. Fino ad ora.

Università della California, Berkeley, i chimici hanno dimostrato che tre strutture di carbonio recentemente create da scienziati in Corea del Sud e Giappone sono in realtà gli schwarziti a lungo cercati, che i ricercatori prevedono avranno proprietà elettriche e di immagazzinamento uniche come quelle che ora vengono scoperte nei buckminsterfullereni (buckyball o fullereni in breve), nanotubi e grafene.

Le nuove strutture sono state costruite all'interno dei pori delle zeoliti, forme cristalline di biossido di silicio - sabbia - più comunemente usate come addolcitori d'acqua nei detersivi per bucato e per rompere cataliticamente il petrolio in benzina. Chiamati carboni zeolite-templati (ZTC), le strutture erano oggetto di indagine per possibili proprietà interessanti, sebbene i creatori non fossero a conoscenza della loro identità di schwarziti, su cui i chimici teorici hanno lavorato per decenni.

Sulla base di questo lavoro teorico, i chimici prevedono che gli schwarziti avranno un'elettronica unica, proprietà magnetiche e ottiche che li renderebbero utili come supercondensatori, elettrodi e catalizzatori per batterie, e con ampi spazi interni ideali per lo stoccaggio e la separazione del gas.

Efrem Braun, borsista post-dottorato dell'Università di Berkeley, e i suoi colleghi hanno identificato questi materiali ZTC come schwarziti in base alla loro curvatura negativa, e ha sviluppato un modo per prevedere quali zeoliti possono essere utilizzate per produrre schwarziti e quali no.

"Ora abbiamo la ricetta per come realizzare queste strutture, che è importante perché, se possiamo farli, possiamo esplorare il loro comportamento, che stiamo lavorando duramente per fare ora, " ha detto Berend Smit, professore a contratto di ingegneria chimica e biomolecolare presso la UC Berkeley ed esperto di materiali porosi come zeoliti e strutture metallo-organiche.

Smit, l'autore corrispondente del documento, Braun e i loro colleghi in Svizzera, Cina, Germania, Italia e Russia daranno notizia della loro scoperta questa settimana sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Giocare con il carbonio

Diamante e grafite sono ben noti accordi cristallini tridimensionali di carbonio puro, ma gli atomi di carbonio possono anche formare "cristalli" bidimensionali:disposizioni esagonali modellate come filo di pollo. Il grafene è una di queste disposizioni:un foglio piatto di atomi di carbonio che non è solo il materiale più forte sulla Terra, ma ha anche un'elevata conducibilità elettrica che lo rende un promettente componente dei dispositivi elettronici.

I fogli di grafene possono essere imbottiti per formare fullereni a forma di pallone da calcio, gabbie di carbonio sferiche in grado di immagazzinare molecole e vengono utilizzate oggi per fornire farmaci e geni nel corpo. Rotolare il grafene in un cilindro produce fullereni chiamati nanotubi, che vengono esplorati oggi come fili altamente conduttivi nell'elettronica e nei contenitori di stoccaggio per gas come l'idrogeno e l'anidride carbonica. Tutti questi sono submicroscopici, 10, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano.

Ad oggi, però, solo fullereni e grafene curvati positivamente, che ha curvatura nulla, sono stati sintetizzati, imprese premiate dai Premi Nobel nel 1996 e nel 2010, rispettivamente.

Nel 1880, Il fisico tedesco Hermann Schwarz ha studiato strutture curve negativamente che assomigliano a superfici di bolle di sapone, e quando il lavoro teorico sulle molecole della gabbia di carbonio è aumentato negli anni '90, Il nome di Schwarz venne attaccato agli ipotetici fogli di carbonio curvati negativamente.

"La validazione sperimentale delle schwarziti completa così il triumvirato delle possibili curvature del grafene; curvate positivamente, piatto, e ora curvato negativamente, " ha aggiunto Braun.

Riducimi a icona

Come bolle di sapone su telai di filo metallico, schwarzites sono superfici topologicamente minime. Quando fatto all'interno di una zeolite, viene iniettato un vapore di molecole contenenti carbonio, permettendo al carbonio di assemblarsi in un foglio bidimensionale simile al grafene che riveste le pareti dei pori nella zeolite. La superficie è tesa in modo da minimizzare la sua area, che fa curvare negativamente tutte le superfici, come una sella. La zeolite viene quindi sciolta, lasciando dietro di sé la schwarzite.

"Questi atomi di carbonio a curvatura negativa sono stati molto difficili da sintetizzare da soli, ma si scopre che puoi far crescere cataliticamente il film di carbonio sulla superficie di una zeolite, " ha detto Braun. "Ma gli schwarziti sintetizzati fino ad oggi sono stati realizzati scegliendo modelli di zeolite attraverso tentativi ed errori. Forniamo istruzioni molto semplici che puoi seguire per realizzare razionalmente gli schwarzites e dimostriamo che, scegliendo la giusta zeolite, puoi regolare gli schwarzites per ottimizzare le proprietà che desideri."

I ricercatori dovrebbero essere in grado di impacchettare quantità insolitamente grandi di carica elettrica in schwarziti, che li renderebbe condensatori migliori di quelli convenzionali utilizzati oggi in elettronica. Il loro grande volume interno consentirebbe anche lo stoccaggio di atomi e molecole, che viene anche esplorato con fullereni e nanotubi. E la loro grande superficie, equivalenti alle aree superficiali delle zeoliti in cui sono cresciute, potrebbe renderli versatili come le zeoliti per catalizzare le reazioni nelle industrie del petrolio e del gas naturale.

Braun ha modellato le strutture ZTC in modo computazionale utilizzando le strutture note delle zeoliti, e ha lavorato con il matematico topologico Senja Barthel dell'École Polytechnique Fédérale de Lausanne a Sion, Svizzera, determinare a quale delle superfici minime le strutture somigliassero.

La squadra ha stabilito che, delle circa 200 zeoliti realizzate fino ad oggi, solo 15 possono essere usati come modello per creare schwarzites, e solo tre di loro sono stati utilizzati fino ad oggi per produrre ZTC schwarzite. Sono state previste oltre un milione di strutture di zeolite, però, quindi potrebbero esserci molte più possibili strutture di carbonio schwarzite realizzate utilizzando il metodo di modellazione della zeolite.