El grafeno es un material revolucionario que consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal, que ofrece una fuerza, conductividad y flexibilidad increíbles. Sus propiedades únicas lo convierten en un candidato prometedor para muchas aplicaciones, desde la electrónica y el almacenamiento de energía hasta la medicina y las soluciones medioambientales.
Usando «partículas irregulares» como modelo para la estructura atómica del grafeno, los investigadores obtuvieron nuevos conocimientos sobre la formación y evolución de defectos en materiales bidimensionales. Este innovador estudio revela la formación inicial y la subsiguiente reparación del defecto más común, lo que tiene implicaciones importantes para la futura ingeniería y aplicación de estos materiales.
El grafeno no tiene rival en términos de resistencia entre todos los materiales conocidos. Además de su fuerza incomparable, su conductividad superior de calor y electricidad lo convierte en un material increíblemente versátil y único. Las propiedades sin precedentes del grafeno fueron tan sobresalientes que su descubrimiento le valió el Premio Nobel de Física en 2010. Sin embargo, nuestra comprensión de este material y sus sustancias relacionadas sigue siendo bastante incompleta, principalmente debido al inmenso desafío de observar los átomos que los constituyen. . Para superar este obstáculo, un esfuerzo de investigación colaborativo de la Universidad de Amsterdam y la Universidad de Nueva York descubrió una solución inesperada.
Los materiales que existen en dos dimensiones, compuestos por una capa ultrafina y singular de cristales atómicos, han recibido un interés considerable en los últimos tiempos. Este mayor interés se atribuye en gran medida a sus atributos atípicos, que difieren significativamente de sus contrapartes en 3D a granel.
El grafeno, el representante más famoso, y muchos otros materiales bidimensionales, se investigan hoy 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.
viendo 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 del tamaño de un micrómetro. Para lograrlo, utilizaron las llamadas ‘partículas irregulares’.
Piezas de una red de grafeno formada por partículas irregulares. Como las partículas se pueden seguir una por una, los defectos se pueden estudiar a escala de partículas. Crédito: Swinkels et al.
Estas partículas, lo suficientemente grandes como para ser fácilmente visibles bajo 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 a lo largo del tiempo. Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista científica Nature Communications.
construyendo grafeno
El grafeno está compuesto de átomos de carbono, cada uno con tres vecinos, dispuestos en la conocida estructura de «panal». Es esta estructura especial la que le da al grafeno sus propiedades mecánicas y electrónicas únicas. Para obtener 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 imitó 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 estar solo durante unas horas, cuando se observaron bajo un microscopio, las partículas de ‘carbono simulado’ finalmente se organizaron en una red de panal. Luego, los investigadores observaron con más detalle los defectos en la red modelo de grafeno. Observaron que el modelo también funcionaba a este respecto: 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 primeras etapas 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 conduce a una configuración defectuosa estable, que permanece o solo se cura muy lentamente para 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 esenciales para las propiedades de todos los materiales atómicamente finos, estas observaciones directas en sistemas modelo ayudan a diseñar más contrapartes atómicas, por ejemplo, para aplicaciones en materiales ultraligeros y dispositivos ópticos y electrónicos.
Referencia: «Visualización de la dinámica de defectos al ensamblar la red de grafeno coloidal» por Piet JM Swinkels, Zhe Gong, Stefano Sacanna, Eva G. Noya y Peter Schall, 18 de marzo de 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-37222-4
