Ciencia de los Materiales: Alótropos cristalinos del carbono. PARTE II

MÁS SOBRE EL ÁTOMO DE CARBONO

1. Niveles energéticos y Números cuánticos.

Los átomos constan de niveles principales de densidades electrónicas. El número máximo de electrones que puede contener cada nivel se define en función de 2n², donde n es el número cuántico principal. Cada nivel orbital, por su parte, posee subniveles donde la probabilidad de encontrar un electrón es alta si ese nivel energético está ocupado. El número cuántico secundario l es quién describe estos subniveles. Los valores permitidos para l son 0, 1, 2, 3,..., n-1. Las letras s, p, d y f son empleadas para describir a dichos subniveles.

_{Tabla. Descripción de los números cuáticos de acuerdo con la mecánica cuántica. | Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

La orientación espacial de un orbital atómico está definido por el número cuántico magnético m_f. Los valores posibles de m_f van desde -l hasta +l, incluyendo al cero. En general, hay 2l+1 valores permitidos para m_l. Por último, los electrones pueden girar en torno a su propio eje. El número cuántico que expresa las dos direcciones de giro permitidas es el spin m_s. Los valores permitidos son +1/2 y -1/2. Debe considerarse que dos electrones pueden ocupar el mismo orbital, si esto ocurre, los spines deben ser opuestos.

2. Configuración electrónica del Carbono.

La configuración electrónica de cualquier átomo representa la forma en como están distribuidos los electrones en sus orbitales. Por eso quise incluir el punto anterior. La notación está compuesta por el número cuántico principal, seguido de la letra que indica al orbital y por último, como exponente, el número de electrones admitidos en el orbital.

Nuestro ejemplo es el átomo de Carbono en su estado básico. Este tiene una configuración electrónica 1s²2s²2p². Este ordenamiento indica que el carbono debería formar dos enlaces covalentes con los dos orbitales 2p llenos a la mitad de su capacidad.

_{Figura 1. Orbitales Híbridos en la estructura electrónica del Carbono.}
^{| Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

Sin embargo, en el mayor de los casos el carbono forma cuatro enlaces covalentes de igual fuerza. La explicación de esto es que uno de los orbitales 2s es promovido a un orbital 2p, de tal manera que se producen cuatro orbitales equivalente sp³. A esto se le conoce como hibridación del enlace (figura 1).

El enlace covalente tetraédrico, del cual hablamos en la Parte I, presenta esta hibridación del tipo sp³. En este enlace los cuatro orbitales híbridos sp³ están dirigidos simétricamente hacia los vértices de un tetraedro regular (figura 2).

_{Figura 2. Orbitales híbridos sp³ en los enlaces covanlente tetraédrico.}
^{| Fuente: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

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MÁS ALÓTROPOS CRISTALINOS

Habiendo estudiado tres de los más importantes alótropos cristalinos del carbono, procedemos a enunciar un grupo de alótropos que resaltan debido a que sólo pueden ser descritos a escala nanométricas, "Los Fulerenos". Estos dan origen a las nanoestructuras cristalinas alotrópicas del carbono.

FULERENOS

Los Fulerenos son variaciones geométricas en el carbono formada por estructuras hexagonales a escalas nanométricas. Estos también pueden ser vistos como formas en las que una hoja de grafeno puede ser convertida. Para comprender esta definición, imaginemos todas las formas geométricas tridimensionales posibles en la que podemos convertir una hoja de papel. Pues, a estas formas se les conocen como fulerenos. En nuestro caso, la hoja es de carbono y está compuesta por anillos de hexágonos y a veces pentágonos.

Actualmente, los tipos de furelenos más conocidos son, las Buckybolas y los Nanotubos de carbono.

• Buckybolas

Es un tipo bastante particular, pues, el nombre de bolas (o balls) se refiere a que su geometría es particularmente en forma de esfera. Sin embargo, si partimos desde una hoja de grafeno, compuesta de hexágonos, nos es imposible simular una esfera. El caso más ejemplar que tenemos es el balón de fútbol. El balón está compuesto de una cantidad determinada de hexágonos y pentágonos dispuestos en una configuración para formar la esfera (figura 3a).

_{Figura 3. (a) Balón de futbol. (b) Estructura cristalina de las buckybolas. | Fuente (a): Wiki, Autor: Leyo.}
^{Fuente (b): Wiki, Autor: Benjah-bmm27. | Edición: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

Basándonos en este ejemplo, podemos demostrar que la disposición geométrica de las buckybolas está compuesta por veinte hexágonos y doce pentágonos que forman una esfera hueca (figura 3b). Está también conocido como Buckminsterfulereno, en honor a las similaridad con las figuras del arquitecto americano Richard Buckminster "Bucky" Fuller. Además, es el fulereno natural más común y se puede encontrar en pequeñas cantidades en el hollín.

En el cristal buckminsterfulereno, las moléculas adoptan la estructura fcc (Cúbico centrada en las caras). Con una transición de fase de primer orden a una estructura fcc y un aumento pequeño en el parámetro de red. En su forma sólida es tan suave como el grafito, pero cuando se expone a altas presiones se transforma en una especie de diamante. Es un semiconductor tipo n con una brecha de energía, por absorción óptica, de ≈ 1,6 eV. Dopado con ciertos metales alcalinos puede convertirse en un conductor e incluso un superconductor.

• Nanotubos de Carbono

Quienes hemos jugado a hacer figuras con las hojas de papel nos identificaremos con este ejemplo. En mi niñez solía hacer telescopios de papel. Tan sólo necesitaba enrollar la hoja de papel de un lado al otro en forma de tubo y comenzaba mi aventura.

Esta breve anécdota hace alusión a los nanotubos de carbono. Si enrollásemos en forma de tubo una hoja de grafeno, entonces, obtendremos nanotubos de carbono. En términos técnicos, estos son moléculas de carbono con una nanoestructura cilíndrica y hueca.

_{Figura 4. Estructura de los nanotubos de carbono. Fuente: Wiki, Autor: Mstroeck.}
^{| Edición: Lic. Daiver Juarez, @djredimi2.}

Estas hojas de grafeno se enrollan en ángulos específicos y discretos, y la combinación entre el ángulo quiral y el diámetro determinan las propiedades del nanotubo. A diferencia del grafeno, que es un semimetal bidimensional, los nanotubos de carbono son metálicos o semiconductores a lo largo del eje tubular. En la notación (n y m) para los nanotubos de carbono, si n = m , el nanotubo es metálico; si n - m es un múltiplo de 3 y n ≠ m y nm ≠ 0, entonces el nanotubo es casi metálico con una banda muy pequeña, de lo contrario, el nanotubo es un semiconductor moderado. Los parámetros n y m determinan, a su vez, el tipo de nanotubo.

Los nanotubos de carbono, también se conocen como buckytubos, y se caracterizan por tener propiedades valiosas para la nanotecnología, la electrónica, entre otros campos, debido a sus excelentes propiedades mecánicas, eléctricas, electroquímicas, térmicas y ópticas.

^{Fuente: Wiki, Autor: APPER}

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Pequeñas variaciones o inclusiones dentro de la estructura de las buckybolas y los nanotubos de carbono, producen un número de alótropos del carbono que no serán estudiados en este post.

El mayor problema de estos materiales es la dificultad para producirlos en masa. Estos alótropos, generalmente, aparecen en pequeñas proporciones en conjunto con muestras carbonosas como el grafito o carbono amorfo. Hasta el momento no se ha logrado conseguir grandes proporciones de nanotubos de carbono. Sin embargo, se ha logrado separar buckybolas de alta pureza de muestras carbonosas aprovechando su solubilidad en el tolueno.

Este es un tema del cuál poseo pocos conocimientos. No obstante, me compleceré en sólo hablarles e introducirles a este maravilloso mundo. Muchas gracias querida comunidad STEEM.

Licenciado en Física Daiver E. Juarez R, @djredimi2.

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REFERENCIAS CONSULTADAS

• Mckelvey, John P. (1976). Física del estado sólido y de semiconductores. México. Editorial Limusa. P.13-18 y P.269-284.
• Smith, William F. (2006). "Fundamentos de la ciencia e ingeníeria de materiales". México. Editorial McGRAW-HILL Interamericana. 4ta edicion. Traducido por Gabriel Cázares y Pedro González.
• Callister, William Jr. (1985). "Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales". Editorial Reverté.
• Crespi, Vincent H.(2004). "Nanotubes and Buckyballs". USA, Washington. 7thWave, Inc. [PDF online].
• Ansón, Alejandro. (2005). "Nanotubos de Carbono: Estructura porosa y sus implicaciones en el campo de la energía". España, Zaragoza. Tesis Doctoral. [PDF online].

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