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| Piezas de una red de grafeno hechas de partículas irregulares. Debido a que las partículas se pueden seguir una por una, los defectos se pueden estudiar a escala de partículas. Imagen: Swinkels et al. CRÉDITO Swinkels et al. |
Abstracto:
El grafeno es el más fuerte de todos los materiales. Además, es excepcionalmente bueno para conducir el calor y las corrientes eléctricas, lo que lo convierte en uno de los materiales más especiales y versátiles que conocemos. Por todas estas razones, el descubrimiento del grafeno fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2010. Sin embargo, muchas propiedades del material y sus primos aún no se comprenden bien, por la sencilla razón de que los átomos que los componen son muy difíciles de determinar. observar. Un equipo de investigadores de la Universidad de Ámsterdam y la Universidad de Nueva York ha encontrado ahora una forma sorprendente de resolver este problema.
El grafeno crece, y podemos verlo
Ámsterdam, Países Bajos | Publicado el 24 de marzo de 2023
Los materiales bidimensionales, que consisten en una sola capa hiperdelgada de cristal atómico, han atraído mucho la atención recientemente. Esta atención bien merecida se debe principalmente a sus propiedades inusuales, muy diferentes de sus contrapartes 'a granel' tridimensionales. El grafeno, el representante más famoso, y muchos otros materiales bidimensionales, son hoy en día investigados intensamente en el laboratorio. Quizás sorprendentemente, los defectos son cruciales para las propiedades especiales de estos materiales, lugares donde la estructura cristalina no es perfecta. Allí, la disposición ordenada de la capa de átomos se altera y la coordinación de los átomos cambia localmente.
Visualizando átomos
A pesar de que se ha demostrado que los defectos son cruciales para las propiedades de un material, y casi siempre están presentes o se agregan a propósito, no se sabe mucho sobre cómo se forman y cómo evolucionan con el tiempo. La razón de esto es simple: los átomos son demasiado pequeños y se mueven demasiado rápido para seguirlos directamente.
En un esfuerzo por hacer observables los defectos en los materiales similares al grafeno, el equipo de investigadores del UvA-Institute of Physics y la Universidad de Nueva York encontró una manera de construir modelos de grafeno atómico de tamaño micrométrico. Para lograr esto, utilizaron las llamadas 'partículas irregulares'. Estas partículas, lo suficientemente grandes como para ser fácilmente visibles en un microscopio, pero lo suficientemente pequeñas como para reproducir muchas de las propiedades de los átomos reales, interactúan con la misma coordinación que los átomos en el grafeno y forman la misma estructura. Los investigadores construyeron un sistema modelo y lo utilizaron para obtener información sobre los defectos, su formación y evolución con el tiempo. Sus resultados fueron publicados en Nature Communications esta semana.
Construyendo grafeno
El grafeno está formado por átomos de carbono, cada uno de los cuales tiene tres vecinos, dispuestos en la conocida estructura de "panal de abeja". Es esta estructura especial la que le da al grafeno sus propiedades mecánicas y electrónicas únicas. Para lograr la misma estructura en su modelo, los investigadores utilizaron partículas diminutas hechas de poliestireno, decoradas con tres parches aún más pequeños de un material conocido como 3-(trimetoxisilil)propilo, o TPM para abreviar. La configuración de los parches de TPM imitaba la coordinación de los átomos de carbono en la red de grafeno. Luego, los investigadores hicieron que los parches fueran atractivos para que las partículas pudieran formar enlaces entre sí, nuevamente en analogía con los átomos de carbono en el grafeno.
Después de dejarlo solo durante unas horas, cuando se observaron bajo un microscopio, las partículas de 'carbono simulado' resultaron estar dispuestas en una red de panal. Luego, los investigadores observaron con más detalle los defectos en el modelo de red de grafeno. Observaron que también a este respecto el modelo funcionaba: mostraba motivos de defectos característicos que también se conocen del grafeno atómico. A diferencia del grafeno real, la observación directa y el largo tiempo de formación del modelo ahora permitieron a los físicos seguir estos defectos desde el comienzo de su formación, hasta la integración en la red.
Resultados inesperados
La nueva mirada al crecimiento de materiales similares al grafeno condujo inmediatamente a nuevos conocimientos sobre estas estructuras bidimensionales. Inesperadamente, los investigadores descubrieron que el tipo de defecto más común ya se forma en las etapas iniciales de crecimiento, cuando la red aún no se ha establecido. También observaron cómo el desajuste de la red es luego 'reparado' por otro defecto, lo que lleva a una configuración de defecto estable, que permanece o solo se cura muy lentamente hasta convertirse en una red más perfecta.
Por lo tanto, el sistema modelo no solo permite reconstruir la red de grafeno a mayor escala para todo tipo de aplicaciones, sino que las observaciones directas también permiten conocer la dinámica atómica en esta clase de materiales. Dado que los defectos son fundamentales para las propiedades de todos los materiales atómicamente delgados, estas observaciones directas en los sistemas modelo ayudan a diseñar aún más las contrapartes atómicas, por ejemplo, para aplicaciones en materiales ultraligeros y dispositivos ópticos y electrónicos.
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