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Los científicos predicen nuevas formas de carbono superduro

También se han identificado 43 formas desconocidas de carbono que se cree que son estables y súper duras, incluso un poco más duras o casi tan duras como los diamantes.

Los científicos predicen nuevas formas de carbono superduro
Un diamante. / Pexels.com.
Un diamante. / Pexels.com.

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Sara Rada

Sara Rada

La autora, SARA RADA, es colaboradora de MUNDIARIO. Comunicadora social venezolana, ejerce como redactora creativa y productora audiovisual en distintos medios digitales internacionales. @mundiario

Los materiales superduros pueden cortar, taladrar y pulir otros objetos. Ahora, la ciencia está abriendo la puerta al desarrollo de nuevos materiales con estas cualidades seductoras. Los investigadores han utilizado técnicas computacionales para identificar 43 formas previamente desconocidas de carbono que se cree que son estables y súper duras, incluidas varias que se prevé que sean un poco más duras o casi tan duras como los diamantes. Cada nueva variedad de carbono consiste en átomos de carbono dispuestos en un patrón distinto en una red cristalina.

El estudio, publicado en la revista npj Computational Materials, combina predicciones computacionales de estructuras cristalinas con aprendizaje automático para buscar nuevos materiales. El trabajo es una investigación teórica, lo que significa que los científicos han predicho las nuevas estructuras de carbono pero aún no las han creado.

"Los diamantes son ahora el material más duro disponible comercialmente, pero son muy caros", dice Eva Zurek, químico de la Universidad de Buffalo. "Tengo colegas que hacen experimentos de alta presión en el laboratorio, exprimiendo materiales entre diamantes, y se quejan de lo caro que es cuando se rompen los diamantes".

"Nos gustaría encontrar algo más duro que un diamante. Si pudieras encontrar otros materiales que sean duros, potencialmente podrías hacerlos más baratos. También podrían tener propiedades útiles que los diamantes no tienen. Quizás interactúen de manera diferente con el calor o electricidad, por ejemplo ".

Zurek, profesora  de química en la Facultad de Artes y Ciencias de la UB, concibió el estudio y co-dirigió el proyecto con Stefano Curtarolo, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Universidad de Duke.

La búsqueda de materiales duros

La dureza se refiere a la capacidad de un material para resistir la deformación. Como explica Zurek, significa que "si intenta sangrar un material con una punta afilada, no se hará un agujero, o el agujero será muy pequeño".

Los científicos consideran que una sustancia es muy dura si tiene un valor de dureza de más de 40 gigapascales, medido a través de un experimento llamado prueba de dureza Vickers.

Se predice que las 43 nuevas estructuras de carbono del estudio alcanzarán ese umbral. Se estima que tres superan la dureza Vickers de los diamantes, pero solo un poco. Zurek también advierte que existe cierta incertidumbre en los cálculos.

Las estructuras más duras que los científicos encontraron tendían a contener fragmentos de diamantes y lonsdaleita, también llamados diamantes hexagonales, en sus redes cristalinas. Además de las 43 formas novedosas de carbono, la investigación también predice recientemente que una serie de estructuras de carbono que otros equipos han descrito en el pasado serán súper duras.

Acelerando el descubrimiento de materiales superduros

Las técnicas utilizadas en el nuevo documento podrían aplicarse para identificar otros materiales superduros, incluidos los que contienen elementos distintos al carbono.

"Se conocen muy pocos materiales superduros, por lo que es interesante encontrar otros nuevos", dice Zurek. "Una cosa que sabemos acerca de los materiales superduros es que necesitan tener enlaces fuertes. Los enlaces carbono-carbono son muy fuertes, por eso observamos el carbono. Otros elementos que suelen estar en los materiales superduros provienen del mismo lado de los periódicos tabla, como boro y nitrógeno ".

Para realizar el estudio, los investigadores utilizaron XtalOpt, un algoritmo evolutivo de código abierto para la predicción de la estructura cristalina desarrollado en el laboratorio de Zurek, para generar estructuras cristalinas aleatorias para el carbono. Luego, el equipo empleó un modelo de aprendizaje automático para predecir la dureza de estas especies de carbono. XtalOpt utilizó las estructuras duras y estables más prometedoras como "padres" para generar nuevas estructuras adicionales, y así sucesivamente.

El modelo de aprendizaje automático para estimar la dureza se entrenó con la base de datos Automatic FLOW (AFLOW), una enorme biblioteca de materiales con propiedades que se han calculado. El laboratorio de Curtarolo mantiene AFLOW y previamente desarrolló el modelo de aprendizaje automático con el grupo de Olexandr Isayev en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.

"Este es el desarrollo acelerado del material. Siempre llevará tiempo, pero usamos AFLOW y el aprendizaje automático para acelerar en gran medida el proceso", dice Curtarolo. "Los algoritmos aprenden, y si ha entrenado bien el modelo, el algoritmo predecirá las propiedades de un material, en este caso, la dureza, con una precisión razonable".

"Puede tomar los mejores materiales predichos utilizando técnicas computacionales y hacerlos de manera experimental", dice el coautor del estudio, Cormac Toher, PhD, profesor asistente de investigación de ingeniería mecánica y ciencia de materiales en la Universidad de Duke.  @mundiario