Las películas muy densas de carbono amorfo pueden presentar unas propiedades, como una dureza excepcional, la ausencia de reactividad química o ser ópticamente transparentes que habitualmente se asocian al carbono pero con una estructura cristalina muy concreta, esa que llamamos diamante. Pensemos esto un segundo, ¿películas de diamante? Pues sí, aunque parezca sacado de una película de ciencia ficción de serie B de los sesenta. Precisamente explicar cómo es posible que algo tan extraordinario ocurra es lo que ha conseguido un equipo de investigadores encabezado por el español Miguel A. Caro, que trabaja en la Universidad de Aalto (Finlandia).

La alotropía es la capacidad que tienen algunos elementos de poseer estructuras atómicas o moleculares diferentes. Cada una de estas formas se llama alótropo. El carbono es capaz de formar muchos alótropos diferentes debido a su capacidad de formar distintos tipos de enlaces químicos. Las formas más conocidas de carbono incluyen el diamante y el grafito (la mina de los lápices). En las últimas décadas se han descubierto e investigado muchos más alótropos y formas de carbono, incluidas formas esféricas como el buckminsterfullereno, láminas como el grafeno o las nanocintas y tubulares como los nanotubos. Se estima que existen del orden de 500 alótropos del carbono.

El carbono amorfo es el alótropo del carbono que no tiene una estructura cristalina. Como con todos los materiales vítreos (los llamados vidrios), puede presentarse algún orden de corto alcance, pero no hay patrones de largo alcance de las posiciones atómicas. Una variedad de carbono amorfo es el llamado carbono tipo diamante, más comúnmente conocido en la industria por sus siglas en inglés, DLC (diamond-like carbon)

Los químicos e ingenieros han aprendido mediante ensayo y error a crear películas de DLC a base de depositar átomos de carbono en un sustrato de carbono. El uso del ensayo y error se debe precisamente a que no se entiende teóricamente cómo se forman estas películas. Ahora, combinando un algoritmo de aprendizaje automático con simulaciones de dinámica molecular, Caro y sus colegas han demostrado que las películas de DLC se forman a través de un mecanismo de «granallado».

Si en el granallado de un taller de chapa y pintura, se trata la carrocería de un automóvil con un “chorro de granalla” (o “de arena”) para dejar la superficie completamente limpia y lista para recibir la imprimación previa a la pintura, en el caso del DLC el impacto de un átomo de carbono sobre la superficie induce ondas de presión que cambian localmente la densidad de la película y, a su vez, la hibridación orbital, es decir, el tipo de enlaces químicos que pueden formar los átomos en la película.

El equipo simuló la deposición secuencial de átomos de carbono individuales en un sustrato de carbono. Utilizando un algoritmo de aprendizaje automático desarrollado previamente calcularon los potenciales interatómicos entre los átomos e introdujeron esa información en las simulaciones de dinámica molecular. Este procedimiento les permitió mapear la densidad de las películas después de cada impacto. Descubrieron que los átomos entrantes creaban una onda de presión que alejaba los átomos del sitio de impacto, de modo que cada impacto disminuía la densidad de los átomos en la superficie de la película y la aumentaba en el interior de la película. En el interior de la película, el cambio de densidad causó que una alta fracción de átomos de carbono adquiriese una hibridación tetraédrica: exactamente el mismo estado que tienen los átomos de carbono en el diamante. Los perfiles de densidad simulados concuerdan con los que se derivan experimentalmente.

La películas de DLC ya se emplean industrialmente como recubrimientos de piezas expuestas a alto rozamiento. Lo que estos resultados pueden hacer es ayudar a los químicos a optimizar el crecimiento de películas DLC, lo que puede ser extremadamente interesante para la construcción de dispositivos electrónicos implantables en el cuerpo humano. Y es que el DLC, al ser químicamente inerte, es biocompatible.

Referencia:

Mguel A. Caro et al (2018) Growth Mechanism and Origin of High sp3 Content in Tetrahedral Amorphous Carbon Physical Review Letters doi: 10.1103/PhysRevLett.120.166101

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next