Carbono amorfo: tipos, propiedades y usos
El carbono amorfo es todo aquel carbono alotrópico con estructuras repletas de defectos moleculares e irregularidades. El término alótropo se refiere a que un solo elemento químico, como el átomo de carbono, forma estructuras moleculares diferentes; algunas cristalinas, y otras, como en este caso, amorfas.
El carbono amorfo carece de la estructura cristalina de largo alcance que caracteriza al diamante y al grafito. Esto significa que el patrón estructural se mantiene ligeramente constante si se visualizan regiones del sólido muy cercanas entre sí; y cuando están distantes, se vuelven evidentes sus diferencias.
Las características o propiedades físicas y químicas del carbono amorfo también son diferentes a las del grafito y del diamante. Por ejemplo, se tiene el famoso carbón vegetal, producto de la combustión de madera (imagen superior). Este no es lubricante, y tampoco es brillante.
Existen varios tipos de carbono amorfo en la naturaleza y estas variedades pueden obtenerse también de forma sintética. Entre las diversas formas de carbono amorfo está el negro de carbono, el carbono activado, el hollín y el carbón vegetal.
El carbono amorfo posee importantes usos a nivel de la industria generadora de energía, así como en las industrias textil y sanitaria.
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Existen varios criterios para clasificarlos, como su origen, composición y estructura. Esta última depende de la relación entre los carbonos con hibridaciones sp2 y sp3; es decir, aquellos que definen un plano o un tetraedro, respectivamente. Por lo tanto, la matriz inorgánica (mineralógica) de estos sólidos puede llegar a ser muy compleja.
Existe el carbono amorfo de origen natural, debido a que es producto de la oxidación y de formas de descomposición de compuestos orgánicos. Entre este tipo de carbono se encuentran el hollín, el carbón y el carbono derivado de los carburos.
El carbono amorfo sintético se produce por técnicas de deposición por arco catódico, y pulverización catódica. De forma sintética también se fabrican revestimientos de carbono amorfo tipo diamante o películas de carbono amorfo.
También el carbono amorfo se puede agrupar en tres grandes tipos dependiendo de la proporción de enlaces sp2 o sp3 presentes. Está el carbono amorfo, que pertenece al denominado carbono amorfo elemental (aC), el carbono amorfo hidrogenado (aC:H), y el carbono amorfo tetraédrico (ta-C).
Carbono amorfo elemental
Abreviado con frecuencia como aC o a-C, incluye el carbón activado y el negro del carbón. Las variedades de este grupo se obtienen por combustión incompleta de sustancias animales y vegetales; es decir, arden con un déficit estequiométrico de oxígeno.
Presentan mayor proporción de enlaces sp2 en su estructura u organización molecular. Pueden imaginarse como una serie de planos agrupados, con distintas orientaciones en el espacio, producto de los carbonos tetraédricos que establecen heterogeneidad en el conjunto.
A partir de ellos se ha sintetizado nanocompuestos con aplicaciones electrónicas y desarrollo de materiales.
Carbono amorfo hidrogenado
Abreviado como aC:H o HAC. Entre ellos está el hollín, el humo, el carbón extraído como el betún, y los asfaltos. El hollín es fácilmente distinguible cuando hay un incendio en una montaña aledaña a una ciudad o pueblo, donde se observa en las corrientes de aire que lo arrastran en forma de hojas negras frágiles de color negro.
Tal como su nombre indica, contiene hidrógeno, pero enlazado covalentemente a los átomos de carbono, y no del tipo molecular (H2). Es decir, hay enlaces C-H. Si a uno de estos enlaces se le desprende el hidrógeno, quedará un orbital con un electrón desapareado. Si dos de estos electrones desapareados están muy cercanos entre sí, interaccionarán originando los llamados enlaces colgantes (dangling bond, en inglés).
Con este tipo de carbono amorfo hidrogenado se obtienen películas o revestimientos de menor dureza que las elaboradas con el ta-C.
Carbono amorfo tetraédrico
Abreviado como ta-C, denominado también carbón similar al diamante. Contiene una alta proporción de enlaces hibridados sp3.
A esta clasificación pertenecen las películas o revestimientos de carbono amorfo, con estructura tetraédrica amorfa. Carecen de hidrógeno, presentan elevada dureza, y muchas de sus propiedades físicas son similares a las del diamante.
Molecularmente consiste en carbonos tetraédricos que no presentan un patrón estructural a largo alcance; mientras que en el diamante, el orden se mantiene constante en diferentes regiones del cristal. El ta-C puede presentar cierto orden o patrón característico a un cristal, pero solamente a corto alcance.
El carbón está organizado como estratos de roca de color negro, conteniendo otros elementos como azufre, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno. De aquí surgen carbonos amorfos como la hulla, turba, antracita y lignito. La antracita es de todos ellos la que posee la composición más alta de carbono.
El verdadero carbono amorfo tiene enlaces π localizados con desviaciones en el espaciado interatómico y variación en el ángulo de enlace. Posee enlaces hibridados sp2 y sp3 cuya relación varía de acuerdo al tipo de carbono amorfo.
Sus propiedades físicas y químicas están relacionadas con su organización molecular y con su microestructura.
En general, presenta propiedades de elevada estabilidad y de alta dureza mecánica, de resistencia al calor y resistencia al desgaste. Además, se caracteriza porque posee elevada transparencia óptica, bajo coeficiente de fricción, y resistencia a varios agentes corrosivos.
El carbono amorfo es sensible a los efectos de la irradiación, presenta elevada estabilidad electroquímica y conductividad eléctrica, entre otras propiedades.
Cada uno de los diferentes tipos de carbono amorfo tiene sus propias características o propiedades, y usos muy particulares.
El carbón es un combustible fósil, y por tanto es una importante fuente de energía, que se aprovecha también para generar electricidad. El impacto ambiental de la industria minera del carbón y su uso en las centrales eléctricas son muy discutidos hoy en día.
Es útil para realizar procesos de absorción o filtración selectiva de contaminantes del agua potable, decolorar soluciones, e incluso puede absorber gases sulfurados.
El negro del carbón se utiliza mucho en la elaboración de pigmentos, tintas de impresión y variedad de pinturas. Este carbono mejora en general la fuerza y la resistencia de los artículos elaborados con hule.
Como relleno en llantas o neumáticos aumenta su resistencia al desgaste, y protege los materiales de la degradación que ocasiona la luz solar.
Es creciente el uso tecnológico de las películas o recubrimientos de carbono amorfo en variedades de dispositivos de pantalla plana y microelectrónicos. La proporción de enlaces sp2 y sp3 hace que las películas de carbono amorfo posean propiedades ópticas y mecánicas de variable densidad y dureza.
Asimismo, se usan en revestimientos antireflectantes, en recubrimientos para protección radiológica, entre otros usos.
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