Átomos de carbono en el borde de un diamante

Question

Es bien sabido (el ejemplo más sencillo del libro de texto) que un diamante tiene una disposición bien definida de sp3 átomos de carbono, ya que cada átomo está conectado a otros cuatro en una estructura tetraédrica.

¿Pero qué pasa con los últimos átomos de carbono en el borde? En cada uno de ellos faltan tres enlaces; tiene un único enlace con un átomo de carbono dentro de la estructura. ¿Cuál es la estructura híbrida y atómica (de electrones) de los átomos de carbono del borde?

Agradecería algunas referencias que expliquen esto en detalle (libros o artículos de investigación).

Answer 1

Los átomos en el borde de un cristal que tienen una valencia insatisfecha se dice que tienen " bonos colgantes ." Muchos elementos, además del carbono, pueden tener enlaces colgantes. Los enlaces colgantes son un tema de interés actual por el impacto que estas estructuras pueden tener en las propiedades de los semiconductores.

Estos enlaces colgantes son muy similares a los radicales libres, salvo que al estar inmovilizados en un sólido, son algo menos reactivos que los radicales libres en solución. No obstante, pueden reaccionar con cualquier material al que se expongan, como el hidrógeno, el vapor de agua, el oxígeno, etc. Además, si hay un enlace colgante vecino, ambos pueden reaccionar entre sí para formar un enlace y satisfacer su valencia.

Cuando las superficies de carbono o silicio se preparan en condiciones de sala blanca, los enlaces colgantes pueden persistir. En la industria de los semiconductores, esta técnica de preparación en sala blanca va seguida de la introducción de un gas dopante para alterar a propósito la estructura de banda electrónica del material del sustrato.

Dado que los electrones no apareados tienen propiedades magnéticas, en las nanoestructuras de carbono (o de cualquier otro elemento) en las que hay mucha más superficie en relación con el volumen, la concentración de enlaces colgantes es mucho mayor. En consecuencia, los electrones no apareados de los enlaces colgantes confieren a estos materiales propiedades magnéticas lo suficientemente grandes como para ser fácilmente detectables y manipulables.

Por último, como los enlaces colgantes representan una situación de no equilibrio, las superficies que contienen enlaces colgantes sufren una relajación o remodelación que se denomina " reconstrucción de la superficie ."

A continuación, un artículo completo que le ayudará a empezar: 1) Estructura de la superficie del diamante 111: Cara de enlace simple versus cara de enlace triple

Answer 2

Usted ha formulado una pregunta que pertenece a la química de superficies. Es un área de investigación relativamente nueva, ya que se basa en gran medida en la microscopía de resolución atómica y en los métodos computacionales.

En general, la respuesta depende de la prehistoria de la superficie y de su entorno. En caso de agrietar un diamante, haciendo una nueva superficie, ocurren dos procesos.

• la conocida reconstrucción o reorganización de los enlaces en las superficies. No conozco artículos sobre la reconstrucción del diamante, pero el silicio tiene una estructura similar a la del diamante, así que podemos especular a partir de allí .

• reacción de la superficie con el medio ambiente. En el caso del aire, el oxígeno y el agua pueden introducirse en los enlaces tensos, y reaccionar a partir de ahí. Puede dar lugar a todo tipo de especies superficiales hasta grupos carboxílicos, fragmentos de cetona, fragmentos de alquilo, etc.

Answer 3

Para añadir a las respuestas actuales sobre los electrones individuales, también hay un efecto global a nivel de la red.

Suponiendo que se trata de un monocristal sin (o con baja densidad de) defectos, la red será regular hasta unos 100 átomos de la superficie. La razón es obvia: los átomos de la superficie sólo tienen vecinos en un lado, por lo que tienen que desplazarse para equilibrar las fuerzas, lo que a su vez obliga a un desplazamiento menor en la segunda capa, y así sucesivamente.

Todo esto tiene poderosas implicaciones en el estudio de las nanoestructuras, como la nanotecnología, así como de las suspensiones y coloides; ya que son estructuras que están todas cerca del límite, sin bulto propio. Además, son fundamentales en el crecimiento de los cristales y, en química, en las reacciones catalíticas.

Más información:

Nota: son excelentes libros clásicos, pero son antiguos, y se ha investigado bastante en superficies a finales de año. Por desgracia, no conozco ninguna referencia moderna.

• Física del Estado Sólido, Ashcroft y Mermin.
• Introducción a la física del estado sólido, Charles Kittel (Yo evitaría las partes de introducción a la SS, ya que las encuentro extremadamente aburridas, pero a otras personas les gusta).