Ilustración de una curva en bicapa de grafeno. Cortesía gráfica de Blanka Janicek, Pinshane Huang Lab.

Una nueva investigación realizada por ingenieros de la Universidad de Illinois combina la experimentación a escala atómica con el modelado por computadora para determinar cuánta energía se necesita para doblar el grafeno multicapa, una pregunta que ha eludido a los científicos desde que el grafeno se aisló por primera vez. Los hallazgos se informan en la revista Nature Materials.

El grafeno, una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red, es el material más fuerte del mundo y tan delgado que es flexible, dijeron los investigadores. Se considera uno de los ingredientes clave de las tecnologías futuras.

La mayor parte de la investigación actual sobre el grafeno se dirige al desarrollo de dispositivos electrónicos a nanoescala. Sin embargo, los investigadores dicen que muchas tecnologías, desde la electrónica extensible hasta los pequeños robots tan pequeños que no se pueden ver a simple vista, requieren una comprensión de la mecánica del grafeno, particularmente cómo se flexiona y se dobla, para desbloquear su potencial.

«La rigidez a la flexión de un material es una de sus propiedades mecánicas más fundamentales«, dijo Edmund Han, un estudiante de posgrado en ciencias de los materiales e ingeniería y coautor del estudio. «A pesar de que hemos estado estudiando grafeno durante dos décadas, todavía tenemos que resolver esta propiedad fundamental. La razón es que diferentes grupos de investigación han encontrado diferentes respuestas que abarcan órdenes de magnitud».

El equipo descubrió por qué los esfuerzos de investigación anteriores no estaban de acuerdo. «Doblaban un poco el material o lo doblaban mucho», dijo Jaehyung Yu, un estudiante graduado de ciencias mecánicas e ingeniería y coautor del estudio. «Pero descubrimos que el grafeno se comporta de manera diferente en estas dos situaciones. Cuando dobla un poco el grafeno multicapa, actúa más como un plato rígido o un trozo de madera. Cuando lo dobla mucho, actúa como una pila de papeles donde las capas atómicas pueden deslizarse entre sí».

«Lo emocionante de este trabajo es que muestra que, aunque todos estaban en desacuerdo, en realidad todos estaban en lo correcto«, dijo Arend van der Zande, profesor de ciencias mecánicas e ingeniería y coautor del estudio. «Cada grupo estaba midiendo algo diferente. Lo que hemos descubierto es un modelo para explicar todo el desacuerdo al mostrar cómo se relacionan entre sí a través de diferentes grados de flexión«.

Para fabricar el grafeno doblado, Yu fabricó capas atómicas individuales de nitruro de boro hexagonal, otro material 2D, en pasos a escala atómica, luego estampado el grafeno sobre la parte superior. Usando un haz de iones enfocado, Han cortó una rodaja de material e imaginó la estructura atómica con un microscopio electrónico para ver dónde se encontraba cada capa de grafeno.

Luego, el equipo desarrolló un conjunto de ecuaciones y simulaciones para calcular la rigidez a la flexión utilizando la forma de la curva de grafeno.

Al colocar varias capas de grafeno en un escalón de solo uno a cinco átomos de alto, los investigadores crearon una forma controlada y precisa de medir cómo el material se doblaría sobre el escalón en diferentes configuraciones.

«En esta estructura simple, hay dos tipos de fuerzas involucradas en doblar el grafeno«, dijo Pinshane Huang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y coautor del estudio. «La adhesión, o la atracción de los átomos a la superficie, trata de tirar del material hacia abajo. Cuanto más rígido sea el material, más intentará volver a levantarse, resistiendo el tirón de la adhesión. La forma en que el grafeno toma los pasos atómicos codifica toda la información sobre la rigidez del material«.

El estudio controlaba sistemáticamente exactamente cuánto se doblaba el material y cómo cambiaban las propiedades del grafeno.

«Debido a que estudiamos el grafeno doblado en diferentes cantidades, pudimos ver la transición de un régimen a otro, de rígido a flexible y de comportamiento de placa a lámina«, dijo el profesor de ciencias mecánicas e ingeniería Elif Ertekin, quien dirigió la parte de modelado por computadora. de la investigación. «Construimos modelos a escala atómica para mostrar que la razón por la que esto podría suceder es que las capas individuales pueden deslizarse una sobre la otra. Una vez que tuvimos esta idea, pudimos usar el microscopio electrónico para confirmar el deslizamiento entre las capas individuales«.

Los nuevos resultados tienen implicaciones para la creación de máquinas que son lo suficientemente pequeñas y flexibles como para interactuar con células o material biológico, dijeron los investigadores.

«Las células pueden cambiar de forma y responder a su entorno, y si queremos movernos en la dirección de microrobots o sistemas que tienen las capacidades de los sistemas biológicos, necesitamos tener sistemas electrónicos que puedan cambiar sus formas y ser muy suaves también, «dijo van der Zande. «Al aprovechar el deslizamiento de la capa intermedia, hemos demostrado que el grafeno puede ser de una orden de magnitud más suave que los materiales convencionales del mismo grosor«.

La National Science Foundation, a través del Centro de Investigación de Materiales de Illinois, apoyó esta investigación.

Notas del editor:

Para comunicarse con Arend van der Zande, llame al 217-244-2912; correo electrónico [email protected]

Para comunicarse con Pinshane Huang, llame al 217-300-2574; correo electrónico [email protected]

El documento «Flexión mediada por deslizamiento Ultrasoft en grafeno de pocas capas» está disponible en línea y en la U. of I. News Bureau . DOI: 10.1038 / s41563-019-0529-7

Via: https://www.eurekalert.org/