Entre o grafite e o diamante

Durante anos, os cientistas tentaram criar uma forma intermediária entre as duas estruturas naturais do carbono — o grafite e o diamante. E agora finalmente conseguiram.

Embora não seja o elemento mais comum do planeta (é apenas o 15º), o carbono é sem dúvida o mais versátil. Na atmosfera, forma compostos simples porém capazes de alterar o clima de todo o mundo. Na superfície, forma todos os organismos vivos nas mais variadas estruturas: códigos genéticos, proteínas, órgãos e tecidos. Nas profundezas do subsolo pode se estruturar de maneira mais sólida — como o inquebrável duríssimo diamante — ou mais frágil — como o quebradiço grafite. Nos laboratórios, os cientistas vêm explorando as possibilidades infinitas do carbono das mais diversas maneiras: da síntese de medicamentos a estruturas carbônicas completamente inexistentes na natureza, como o grafeno.

Outra coisa que não existe naturalmente é algo intermediário entre o diamante e o grafite. Uma substância assim — conhecida como carbono vítreo — poderia ser dura feito pedra mas também bastante elástica. Seria bastante útil, por exemplo, para resistir às condições mais extremas de lubrificação ou amortecimento. Apesar dessa forma de carbono ser conhecida desde os anos 1950, a síntese controlada de um carbono vítreo exatamente entre o grafite e o diamante vem sendo tentada há anos em laboratórios de todo o mundo, com as mais variadas técnicas.

Na chamada compressão fria, o carbono é submetido a altas pressões em temperatura ambiente. Na compressão quente, a pressão intensa é acompanhada de altas temperaturas. No entanto, o carbono vítreo formado a frio não mantém sua forma quando a pressão e liberada. Quando é usada a compressão quente o resultado é a formação de nanodiamantes cristalinos.

Encontrar uma técnica intermediária que resulte em uma substância igualmente intermediária tem sido frustrante mas isso não significa que os químicos desistiram. Liderada por Zhisheng Zhao, uma equipe de pesquisadores das Universidades Yanshan (China) e Carnegie (EUA) parece ter encontrado o caminho certo para a produção do carbono vítreo. A estrutura-base do carbono vítreo, parcialmente desordenada, foi submetida a uma pressão equivalente a 250 mil atmosferas e aquecida a cerca de 980 graus Celsius.

Os resultados do experimento foram publicados por Zhao et. al. na Science Advances e indicam a formação de uma estrutura formada tanto por ligações parecidas com a do grafite (do tipo sp²) quanto ligações diamantinas (sp³). Sob as condições corretas de temperatura e pressão, as camadas desordenadas do carbono vítreo se curvam, se aproximam e se conectam de várias maneiras. Esse processo cria uma estrutura que não é inteiramente cristalina, mas uma organização espacial reforçada em escalas nanométricas. Um vídeo demonstrativo do material pode ser visto aqui.

Em comunicado divulgado pelo Phys.org, Zhao afirma que “materiais leves com grande força e elasticidade robusta como esse são bastante desejáveis para aplicações onde a redução de peso é da maior importância, mais até do que o custo do material”. Formado pela Carnegie e atualmente professor em Yanshan, Zhao acredita que a técnica recém-descoberta pode levar à síntese de outras formas de carbono extraordinárias e talvez até mesmo uma classe inteiramente nova de materiais — tudo escondido entre o diamante e o grafite.

Referência

Meng Hu et. al. Compressed glassy carbon: An ultrastrong and elastic interpenetrating graphene network [Carbono vítreo comprimido: uma rede de grafeno interpenetrante, elástica e superforte]. Science Advances, vol. 3, n. 6. 09 de junho de 2017. DOI: 10.1126/sciadv.1603213