⚛ Fullereno y Alótropos de Carbono — C60, Enlaces sp2 y Quiralidad

Un nanotubo es metálico cuando (n menos m) es divisible por tres, y semiconductor en caso contrario. Los tubos de tipo armchair (n igual a m) son siempre metálicos, los tubos zigzag tienen m igual a cero, y cualquier otra combinación es quiral. La simulación etiqueta cada caso y colorea las entradas metálicas de forma diferente.

El diámetro es d = a√(n² + nm + m²) / π, donde a es la constante de red del grafeno, aproximadamente 0.246 nm, derivada de una longitud de enlace carbono–carbono de 0.142 nm. Para el tubo armchair (10,10) predeterminado esto da aproximadamente 1.36 nm, coincidiendo con el valor mostrado en el panel de estadísticas.

Para los tubos semiconductores el modelo usa la aproximación estándar E_g = 2γ₀a_CC / d, con una energía de salto γ₀ de aproximadamente 2.9 eV y una distancia carbono–carbono de 0.142 nm. El bandgap por tanto escala inversamente con el diámetro, así que los tubos semiconductores más delgados tienen bandgaps mayores. A los tubos metálicos se les asigna un bandgap de cero.

Estos nombres describen el patrón de anillos de carbono alrededor de la circunferencia del tubo. Los tubos armchair (n,n) y zigzag (n,0) son aquirales con simetría de espejo, mientras que los tubos generales (n,m) son quirales y existen en formas dextrógiras y levógiras. La quiralidad afecta fuertemente al comportamiento electrónico y óptico.

La jaula cerrada confina el sistema de electrones π, separando los orbitales moleculares ocupado más alto y desocupado más bajo en aproximadamente 1.9 eV. Esto hace del C60 un semiconductor molecular que absorbe luz visible y ultravioleta y acepta electrones fácilmente, razón por la cual se usa como aceptor en celdas solares orgánicas.

La geometría, la simetría y las fórmulas de plegado de zona para el diámetro y la metalicidad son correctas según los libros de texto, y el bandgap sigue la aproximación de amarre fuerte ampliamente utilizada. Los valores son estimaciones de primer orden, por lo que capturan bien las tendencias pero omiten efectos de curvatura, correcciones de muchos cuerpos e influencias de sustrato presentes en mediciones reales.

El C60 y el C70 sirven como aceptores de electrones en fotovoltaica orgánica y como aditivos en lubricantes y medicina. Los nanotubos de carbono se usan en compuestos conductores, transistores de efecto de campo, sensores de gas y biosensores, y materiales reforzados. La vista de propiedades contrasta estos alótropos junto con el grafeno y el diamante para mostrar cómo la estructura determina la función.