Computational Study of Allotropic Structures of Carbon by Density Functional Theory (DTF)

Estudio computacional de las estructuras alotrópicas del carbono utilizando Teoría de Funcionales de Densidad (DFT)

En este artículo se simularon las principales estructuras alotrópicas del carbón (diamante, grafito, nanotubos y fulereno C60), utilizando la Teoría de Funcionales de Densidad (DFT). Para el diamante los resultados mostraron la formación de enlaces tipo sp3 y baja reactividad química, indicando baja probabilidad de formar otros compuestos y altas propiedades mecánicas. En la estructura del grafito se observó evidente debilidad interplanar, la cual está relacionada con los procesos de lubricación sólida. Se observaron enlaces metálicos carbón-carbón y polarizaciones en las esquinas de la estructura del nanotubo tipo armchair, estabilizando la estructura y permitiendo el crecimiento del nanotubo. En la estructura del fulereno C60 se confirmó el comportamiento nano jaula de Faraday, junto con baja probabilidad de polarización interatómica, indicando alta estabilidad estructural. Además, se utilizaron los valores de la energía total (TE) y la energía de repulsión nuclear (NRE) para realizar comparaciones energéticas entre diferentes estructuras, lo que permitió el estudio de la estabilidad electrónica y su relación con las propiedades mecánicas.

1 INTRODUCCIÓN

El carbono es el elemento más importante de la naturaleza, necesario para la vida y altamente versátil. Es ampliamente utilizado en aplicaciones industriales, como en el diamante para herramientas de corte y como grafito para aplicaciones de lubricación de sólidos [1], [2], [3]. Es la base de la química orgánica que logró la síntesis de polímeros, creando una nueva gama de materiales para diversas aplicaciones como fibras para pinturas y envases [4], [5]. Esto llevó a la investigación de materiales y procesos compuestos al estudio de la modificación de la superficie del carbono y así obtener nanotubos de carbono y fullerenos, abriendo el camino a la nanotecnología y los nanomateriales [6], [7], [8]. El carbono presenta una alotropía, dos fases estructurales diferentes, el diamante y el grafito, compuestas por átomos de carbono unidos por enlaces sp2 y sp³ respectivamente [9]. La estructura del diamante es el resultado de un enlace s metaestable entre átomos de carbono y se considera un material con propiedades físicas extremas; dichos enlaces le confieren una dureza extrema y la mayor densidad atómica de todos los sólidos [10]. Un uso importante del diamante se ha producido en aplicaciones electrónicas, debido a las interesantes propiedades que exhibe cuando el material está dopado, en particular la superconductividad, descubierta en 2004 por Ekimov [11]. El grafito, por su parte, presenta una estructura trigonal estable. Los átomos de carbono se mantienen unidos por enlaces s debido a tres orbitales sp² en un plano, añadiendo un enlace p resultante de la interacción de los orbitales p; el grafito es suave, ópticamente opaco y químicamente activo [1].