Carbino

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

CIENCIA DE LOS MATERIALES DR. VÍCTOR MANUEL GARCÍA SALDÍVAR

CARBINO POLIACETILENO

EDUARDO DANIEL AYALA MEDRANO 6º “B”

11 DE JUNIO 2015

Poliinos

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ÌNDICE Justificación ............................................................................................................................ 3 Introducción ............................................................................................................................ 3 Desarrollo ............................................................................................................................... 4 Carbono ............................................................................................................................... 4 Alótropos ............................................................................................................................ 5 Carbino................................................................................................................................ 7 Propiedades ......................................................................................................................... 8 Síntesis .............................................................................................................................. 11 Estabilidad ........................................................................................................................ 13 Conclusión ............................................................................................................................ 18 Referencias ........................................................................................................................... 19

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JUSTIFICACIÓN En un mundo en el que se presentan innovaciones a diario, en que los descubrimientos se volvieron parte del día a día y las nuevas tecnologías nos exigen más y más de nosotros no queda más que adaptarse a ella, a seguir el paso y sobrevivir frente a cada uno de los nuevos dispositivos que se crean y se diseñan. La electricidad, desde descubierta en el antiguo Egipto en los peces allá por 2750 a.C., fue un fenómeno increíblemente fascinante, raro y salvaje, que necesitaba “domesticación”,

desarrollo

de

conductores,

semiconductores,

aislante

y

superconductores, todos con aplicaciones infinitamente inimaginables. El carbono en nuestros días es el siguiente paso tecnológico de la humanidad, es la piedra filosofal de los electrónicos y el significado real de “eficiencia”, Este tipo de materiales consiguió ganar la atención de millones de personas por su sorprendente resistencia mecánica, alta conductividad y versatilidad. Pero, ¿qué tan versátil podría ser el carbono? Bastante, por tal motivo, es el anfitrión de este trabajo, exponer las implicaciones, propiedades, ventajas y desventajas, de los poliinos, cadenas de enlaces triples múltiples intercalados de futura aplicación.

INTRODUCCIÓN Aproximadamente dos décadas atrás el desarrollo de software, miles de experimentos en el campo químico, la optimización de los modelos matemáticos y el descubrimiento de nuevas técnicas de síntesis, estabilización, purificación y elucidación ha llevado a toda la comunidad científica a dar pasos agigantados hacia un futuro con todas las facilidades y la más alta tecnología al alcance de la mano de todos. Numerosos estudios teóricos, simulaciones y pruebas acerca de los alótropos del Carbono han abierto un campo increíblemente amplio donde hasta las estructuras más sencillas poseen un potencial increíble, tal es el caso del acetileno (etino), molécula formada por dos átomos de carbono enlazados por un enlace triple, conocido por poseer la mayor energía comparado al enlace doble y sencillo.

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El cumuleno y el carbino, aprovechan la versatilidad del carbono para lograr una estructura maravillosamente resistente, flexible, y tal vez, de los semiconductores más revolucionaros, que junto con el grafeno y los nanotubos de carbono han tomado importancia en los últimos días, para revolucionar el campo de los materiales.

DESARROLLO Carbono Elemento químico de número atómico 6 y símbolo C, es el pilar básico de la química orgánica y se conocen cerca de 16 millones de compuestos de carbono, aumentando este número en unos 500 000 compuestos por año. Forma parte de todos los seres vivos conocidos y el 0.2 % de la corteza terrestre. Sorprendentemente constituye una de las sustancias más blandas (el grafito) y una de las más duras (el diamante) y, desde el punto de vista económico, es de los materiales más baratos (carbón) y uno de los más caros (diamante). El Carbono es uno de los pocos elementos que no se creó en el Big Bang, debido a que hubiese requerido la colisión de tres partículas alfa, proceso muy poco probable debido a la expansión súbita que sufrió el Universo. Posee 3 isótopos

12

𝐶,

13

𝐶 y 14𝐶 , de

los cuales el primero y el segundo son estables, con una abundancia relativa del 98.9 % y 1.1 %, respectivamente, el último, aunque estable se han encontrado trazas solamente, pero cruciales para la determinación de la edad de cualquier objeto que posea carbono. Debido a las propiedades de su último nivel de energía es capaz de formar dos, en los carburos, y cuatro enlaces en todas las moléculas orgánicas de la manera en que se encuentra más estable, esto a causa de la regla del octeto, solo así es capaz de lograr la formación de estos enlaces y geometrías bastante complicadas con gran estabilidad. La gran deslocalización de los electrones π en la mayoría de sus compuestos lo hace un muy buen conductor de electricidad y presentar un amplio rango de absorción de radiación electromagnética.

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Alótropos Debido a que el carbono posee una moderada electronegatividad le otorga la capacidad de formar enlaces covalentes con el mismo, y otra extensa variedad de elementos al menos uno de cada grupo de la tabla periódica, que poseen una estabilidad asombrosa. El átomo del carbono, como algunos otros elementos, es capaz de tomar hibridaciones sp, sp2 y sp3, de aquí que al menos tengamos 3 posibles alótropos, carbino, grafeno y diamante respectivamente, sin embargo, no son los únicos, la moderada flexibilidad del enlace carbono-carbono logra que obtengamos una variedad aún mayor, entre ellos podemos encontrar: Alótropos con hibridación sp3 que poseen gran estabilidad debido a que los enlaces no se encontrarán tensionados y se cumple con mayor facilidad la regla del octeto; Diamante (más estable), lonsdaleita (menos estable) y dos estructuras teóricas que poseen una alta deformación de enlaces provocando una tensión angular, Poli[4]prismance y prismance C8.

Alótropos con hibridación sp2, aún más estables que los alótropos de hibridación sp3 debida a la capacidad de dislocación de electrones en los dobles enlaces. Posee en campo con más variedad de alótropos, entre ellos el grafito, grafeno, nanotubos, nanotubos de pared múltiple, red de nanotubos, nanotubos “bunch”, “nanobuds”, “peapods”, nanotubos grafenados, fullereno, fenilen-fullereno, polifullereno y cumuleno:

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Grafeno

Grafito

Nanotubos

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Fullereno

Fullereno

Nanotubos de pared múltiple

Nanotubos “bunch” y red de nanotubos

Polifullerenos

“Nanobuds” y “Peapods”

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Fenil-fullereno

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Nanotubos grafenados

Cumuleno

Por último la hibridación sp es bastante rara para un alótropo debido a que la energía y reactividad que almacena un enlace de este tipo es relativamente alta comprometiendo su estabilidad, por lo que se vuelve el anfitrión de este trabajo:

Carbino Las cadenas de carbono, único alótropo de una dimensión, han sido observadas solamente por medio de un microscopio debido a su alta reactividad a condiciones estándar. Cantidades considerables de alótropos formados por unidades de acetileno se han encontrado en cráteres formados por impacto de meteoritos y en el polvo estelar, así como, en constelaciones lejanas que carecen de hidrógeno. Es más fuerte y más rígido que cualquier otro material conocido, aproximadamente 2 veces más fuerte que el grafeno y

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nanotubos de carbono, posee una larga lista de propiedades inusuales y muy deseables que lo convierten en un material interesante para una amplia gama de aplicaciones.

Propiedades Las determinaciones de las propiedades eléctricas y mecánicas se han realizado tanto experimental, como teóricamente a partir de simulaciones y modelos matemáticos.

Las

determinaciones

experimentales se realizaban sobre placas de grafeno sobre la que se sintetizaba la cadena de carbonos, a continuación se presentan los resultados para algunos de los estudios: Determinaciones experimentales a 77 K, utilizando una diferencia de potencial de 590 V, determinaron que el esfuerzo de ruptura se presentó a los 251 GPa, menor que la determinación realizada a 5 K, 270 GPa, sin embargo, se descubrió que la cadena de carbonos posee un carácter elástico, debido a que la conductividad de la cadena se redujo considerablemente y apareció una “elongación” de la cadena. Estudios posteriores demostraron que la metodología seguida registró el valor de la fuerza de enlace grafeno— carbino y se encontró que la tensión que la cadena sufría arrancaba átomos presentes en la matriz de grafeno alargando la cadena hasta el punto en que la estabilidad de esta decayó hasta su fractura, rompimiento. Simulaciones para cadenas de diferente longitud (cantidad de átomos), encontraron que las cadenas de número de carbonos impares, poseían una mayor resistencia que aquellas de números impares:

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Determinaciones realizadas para el 2011 refutaron los resultados obtenidos por el análisis anterior mostrado al encontrar que las cadenas ofrecían un comportamiento plástico:

Análisis detallados de las cadenas formadas, mayores a 12 carbonos han demostrado que las cadenas se forman en ocasiones por segmentos de cumuleno y carbino intercaladas, lo que le da una relativa mayor estabilidad, sin embargo no se han podido realizar las mediciones y determinaciones pertinentes para demostrarlo.

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Las mediciones de voltaje se realizaron mientras la cadena de carbino se mantenía estable sobre la placa de grafeno, presentando el siguiente comportamiento:

Las curvas representan el comportamiento del material frente a una corriente de electrones (a, b) con un comportamiento muy similar al de un metal, aunque en extremo raro, debido a que exhiben un comportamiento de “no-resistencia”. Sin embargo, el mismo procedimiento logró demostrar la aún baja estabilidad que el material presenta, debido a que el desarrollo de las mediciones a una corriente constante de 1 V, la estabilidad de la cadena desaparecía:

Mediciones realizadas a cadenas sintetizadas a presiones cercanas a 8 GPa a partir de fullereno, se encontró un comportamiento muy parecido a los semiconductores intrínsecos:

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La medición formal de las propiedades mecánicas que presentan las cadenas no se ha realizado, debido a que la máxima longitud que se ha alcanzado ha sido de 44 carbonos con una grandiosa reactividad. Utilizando los datos recolectados de pruebas anteriores para mejorar los modelos de simulación se han logrado predecir las propiedades que una proporción de cadenas de carbono presentarían:

Diamante

Grafeno

Carbino

Módulo de Young (TPa)

1.22

1.00

32.71

Mòdulo de Corte (TPa)

0.5

-

11.8

Coeficiente de Poisson

-

-

0.386

Síntesis La síntesis de las cadenas de carbino se ha realizado a través de numerosos procedimientos y reactivos, entre ellos enumeramos los siguientes: 1. Transposición de Fritsch-Buttenberg-Wiechell:

2. Acoplamiento Glaser:

3. Reacción de Eglinton:

4. Acoplamiento de Cadiot–Chodkiewicz:

5. Desfluorización de PTFE. 11

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6. Método Walton:

7. Método Diederich:

8. Eliminación de haluros:

9. Cabonización catódica de hidrocarburos perfluorados con amalgamas de Li, Na y K. 10. “Extrusión” desde grafeno o nanotubos de carbono. 11. Deposición de vapor. 12. Radiación ionizante de carbono. 13. Laser de alta energía.

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Estabilidad Cadenas de una cantidad significante de unidades de acetileno han sido completamente sintetizadas, sin embargo, instantáneamente se autodestruyen o reaccionan con el aire a su alrededor, creando subproductos o descomponiéndose en cadenas de carbino más pequeñas. Por tal razón numeras reacciones y métodos se han desarrollado para proteger a la cadena aprovechando las capacidades de las moléculas para proveer densidad electrónica e impedimento estérico. Algunos de estos son: 1. Acomplejación con Hierro, Renio, Platinio

2. Método de protección de Tykwinski:

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3. Protección con poliéteres:

4. Cocristalización:

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5. Revestimiento de nanotubos de carbono:

6. Grafenación

7. Recubrimiento.

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Aplicaciones Debido a las propiedades ya mencionadas y a pruebas de absorción, reacciones de acomplejación y la utilización de segmento de carbino, el campo de aplicación es bastante amplio, como: i.

Fotodegradación con complejos de Osmio:

ii.

Precursores para otros semiconductores:

iii.

Construcción de baterías recargables de Mg

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iv.

Construcción de fullerenos

v.

Soportes de catalizador:

vi.

Catalizador:

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vii.

“Zeolitas”

viii.

Portador de fármacos:

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CONCLUSIÓN  El carbono posee una versatilidad increíble y gracias a esto realizar modificaciones y ponerlo a nuestro servicio es bastante fácil.

 La estabilidad de la cadena depende de la protección que posea y los grupos finales que protegen a la cadena de ataques.

 Al igual que otros isótropos posee la capacidad de conducir la corriente eléctrica debido a que posee muchos electrones π deslocalizados.

 Es posible aprovechar la resistencia que ofrece el material para otras aplicaciones en donde la estabilidad de la cadena no sea una prioridad en el proceso.

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REFERENCIAS 1) “Carbyne: A new form of carbon that´s stronger than grapheme” en Technology.org. 2013/08/16. [1] 2) Sergiy Kotrechko, Igor Mikhailovskij, Tatjana Mazilova, Evgenij Sadanov, Andrei Timoshevskii1, Nataliya Stetsenko1 and Yurij Matviychuk, Mechanical properties of carbyne: experiment and simulations, Kotrechko et al. Nanoscale Research Letters (2015) 10:24 DOI 10.1186/s11671-015-0761-2 3) O. Cretu, A. R. Botello-Mendez, I. Janowska, C. Pham-Huu, J.-C. Charlier, and F. Banhart, Electrical conductivity measured in atomic carbon chains. 4) Lyapin, a.G., Brazhkin, V.V., Lyapin, S.G., Popova, S.V., Varfolomeeva, T.D., Voloshin, R.a., Pronin, A.a., Sluchanko, N.E., Gavrilyuk, A.G.,Trojan, I.a., NonTraditional Carbon Semiconductors Prepared from Fullerite C60 and Carbyne under High Pressure, Physica Status Solidi (B), 1999. 5) Nair, a. K., Cranford, S. W., Buehler, M. J., The minimal nanowire: Mechanical properties of carbine, EPL (Europhysics Letters), 2011. 6) Liu, Mingjie, Artyukhov, Vasilii I., Lee, Hoonkyung, Xu, Fangbo, Yakobson, Boris I., Carbyne from first principles: Chain of c atoms, a nanorod or a nanorope, ACS Nano, 2013. 7) Carbyne : The rational synthesis of an sp-hybridized carbon allotrope. 8) Stability and existence of carbyne with carbon chain. 9) Arnd Vogler*, Josef Kisslinger, Warren R. Roper, Photochemistry of OsmiumCarbyne Complexes, Institut für Anorganische Chemie, Universität Regensburg, Universitätsstraße 31, D-8400 Regensburg and Department of Chemistry, University of Auckland, Auckland, New Zealand, 1983. 10) Ravagnan, L, Siviero, F, Lenardi, C, Piseri, P, Barborini, E, Milani, P, Casari, C S, Li Bassi, A, Bottani, C E., Cluster-beam deposition and in situ characterization of carbyne-rich carbon films. Physical review letters, 2002. 11) Tykwinski, Rik R., Chalifoux, Wesley, Eisler, Sara, Lucotti, Andrea, Tommasini, Matteo, Fazzi, Daniele, Del Zoppo, Mirella, Zerbi, Giuseppe, Toward carbyne: Synthesis and stability of really long polyynes, Pure and Applied Chemistry, 2010.

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12) Duan, Bochao, Wang, Weikun, Wang, Anbang, Yuan, Keguo, Yu, Zhongbao, Zhao, Hailei, Qiu, Jingyi, Yang, Yusheng, Carbyne polysulfide as a novel cathode material for lithium/sulfur batteries, Journal of Materials Chemistry A, 2013. 13) Hauptmann, Siegfried, Further Reading from Wiley-VCH, Practice, 2003

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