No soy físico, solo una mente curiosa, ¡así que tómalo con calma!
Estaba viendo un documental de BBC Horizon que presentaba una pieza sobre el material Graphene recientemente descubierto . Uno de los hechos mencionados en el documental fue que una lámina de grafeno, a pesar de ser un entramado de átomos de carbono de apenas un átomo de espesor, podía soportar el peso de un gato doméstico sin romperse.
Mostraron una ilustración de la estructura hexagonal del grafeno y cómo se podría crear una forma cruda de grafeno utilizando cinta adhesiva y un trozo de grafito.
Bien, esta es mi pregunta. Por lo que puedo recordar de las lecciones de química en la escuela, el carbono tiene una valencia de 4, por lo que puede unirse a 4 átomos de carbono más. Seguramente (al menos en teoría) podría existir una hoja de carbono que adopte una red de rejilla cuadrada, en oposición a la estructura hexagonal del grafeno. Si es así, ¿no sería ese material más fuerte que el grafeno? Además, ¿se formaría tal red naturalmente bajo cualquier circunstancia o el carbono siempre asume una estructura hexagonal cuando se reduce a capas?
Aunque no es estrictamente lo que sucede, puede pensar que los enlaces alrededor de un átomo de carbono se repelen entre sí porque los electrones localizados en esos enlaces quieren alejarse lo más posible entre sí. Por eso cuando un átomo de carbono forma tres enlaces obtienes los enlaces separados por 120º. Cuando tienes cuatro enlaces, se organizan en una forma tetraédrica con un ángulo de aproximadamente 109º entre cada par de enlaces.
Es posible forzar los enlaces más juntos, y existen moléculas, como el ciclobutano , que tienen un anillo de cuatro carbonos. Sin embargo, estos tienden a ser atacados más fácilmente por reactivos que por anillos de cinco o seis carbonos, por lo que tienden a ser inestables. Estas moléculas tienen solo dos enlaces separados por un ángulo de 90º, con los otros dos enlaces más parecidos a los 109º habituales y en un plano en ángulo recto con los dos enlaces de 90º. No conozco ninguna molécula con cuatro enlaces a 90º en el mismo plano. Supongo que la energía de este arreglo sería tan alta que se reorganizaría espontáneamente en algo más estable.
Existe tal material en el que cada átomo de carbono se une a otros cuatro átomos. No es una red cuadrada (debido al carácter de la llamada hibridación sp3 : la configuración energéticamente más estable es en 3D, no en 2D).
Hay varios enlaces estándar para el carbono (y muchos otros materiales): la hibridación sp2 es en 2D y tiene tres enlaces (como grafito, grafeno y todas las moléculas orgánicas), y la hibridación sp3 (más fuerte) tiene cuatro enlaces, pero es en 3D Supongo que la unión en un material 2D con una red cuadrada es mucho más débil que en el grafeno, mientras que la estructura de diamante (sp3) tiene una unión mucho más fuerte.
Puedes cambiar el grafeno para que se convierta en diamante si le pones energía, y obtendrás más de lo que pones, porque la estructura del diamante es energéticamente óptima. Desde la perspectiva de un físico, es como encender un globo con hidrógeno: necesitas poner un poco de energía, pero obtienes más de ella.
Aparentemente, uno de los enlaces en el grafeno es un enlace doble. Raramente representado en los gráficos.
tom-tom