Investigadores de la Universidad Rice han demostrado que pequeñas arrugas en el grafeno pueden modificar las propiedades eléctricas del material, lo que aporta evidencia de la flexoelectricidad, un fenómeno en el que un material genera una carga eléctrica al doblarse de forma desigual. Los hallazgos se publican en la revista Advanced Materials.

Este descubrimiento sugiere que los científicos podrían controlar la electricidad en materiales de espesor atómico modificando su forma en lugar de añadir nuevos productos químicos o materiales. Este enfoque podría dar lugar, en el futuro, a sensores más sensibles y dispositivos electrónicos ultrafinos.

«Nuestro trabajo demuestra que incluso una arruga común puede convertirse en una característica electrónica extraordinaria cuando se observa a escala atómica», afirmó Pulickel Ajayan, profesor de ingeniería titular de la cátedra Benjamin M. y Mary Greenwood Anderson y coautor principal del estudio. «Al demostrar que la geometría por sí sola puede modificar el comportamiento eléctrico del grafeno, abrimos un nuevo camino para el diseño de materiales cuyas propiedades se pueden controlar mediante la estructura en lugar de la química».

Observando detenidamente las pequeñas arrugas

El grafeno es una lámina de carbono de tan solo un átomo de espesor. En este trabajo, el equipo examinó arrugas formadas naturalmente con curvaturas comprimidas en espacios menores a una milmillonésima de metro, donde la curvatura extrema puede desplazar los electrones hacia un lado del material.

«Imaginen doblar una regla flexible, pero con la diferencia de que la curvatura se concentra en un espacio menor a una milmillonésima parte de un metro», explicó Sathvik Ajay Iyengar, exestudiante de doctorado de Rice y autor principal del estudio. «A esa escala, los electrones del grafeno se desplazan ligeramente hacia un lado, creando dos polos eléctricos opuestos, como los extremos de una pequeña batería».

El equipo de investigación utilizó sondas microscópicas especializadas para medir la forma de las arrugas, la energía eléctrica local y la corriente eléctrica. También emplearon espectroscopia Raman, una técnica láser que revela cómo se estiran o comprimen los átomos, junto con simulaciones por ordenador que predijeron cómo la flexión modifica el movimiento de los electrones. La comparación de arrugas con curvatura pronunciada con grafeno plano cercano permitió al equipo aislar los efectos de la curvatura.

«Los estudios anteriores solían examinar curvaturas más suaves o se basaban en la presión externa, lo que dificultaba la identificación de este sutil efecto», explicó Iyengar. «Comparar las arrugas con curvatura pronunciada con el grafeno plano nos permitió identificar claramente el papel de la curvatura extrema».

La forma modifica el comportamiento eléctrico.

Los investigadores descubrieron que las arrugas actuaban como hileras de pequeños reductores de velocidad eléctricos. Sus puntas afiladas modificaban la energía eléctrica local y generaban una corriente eléctrica constante al aplicar un voltaje de aproximadamente 1 voltio, lo que coincidía con las predicciones de los modelos informáticos.

La respuesta eléctrica dependía de la nitidez de las arrugas, más que de su altura. Los investigadores estimaron que la separación de carga eléctrica resultante, denominada polarización, era entre 100 000 y 10 millones de veces más intensa que en sistemas flexoeléctricos mucho mayores. La polarización es la separación de cargas eléctricas positivas y negativas dentro de un material.

«La nitidez de la arruga resultó ser mucho más importante que su tamaño total», dijo Iyengar. «Eso nos indica que potencialmente podemos modular el comportamiento eléctrico controlando cuidadosamente la curvatura a nanoescala».

De la predicción a la evidencia

El descubrimiento data de 2008, cuando el físico teórico Vincent Meunier predijo que doblar bruscamente el grafeno podría reorganizar sus electrones y producir una respuesta eléctrica. Meunier, actualmente titular de la Cátedra PB Breneman y director del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Ingeniería de la Universidad Estatal de Pensilvania, es coautor del estudio. En aquel entonces, medir el efecto en curvaturas de tan solo unos pocos átomos de ancho era extremadamente difícil.

Años después, Iyengar revisó los datos que había recopilado con Manoj Tripathi, coautor del estudio en la Universidad de Sussex y actualmente en South Dakota Mines, y descubrió señales eléctricas inusuales en las arrugas más pronunciadas del grafeno. Presentó los hallazgos a Meunier, quien había sido codirector de su tesis doctoral.

«Cuando Sathvik me mostró las mediciones que él y Manoj habían recopilado, nos dimos cuenta de que las señales inusuales podían establecer una conexión experimental con una idea que habíamos predicho muchos años antes», dijo Meunier. «La combinación de los experimentos y los cálculos a escala atómica nos permitió comprobar directamente esa conexión».

Construyendo nuevas posibilidades para la electrónica

Los investigadores afirmaron que estos hallazgos podrían ayudar a los científicos a explorar si controlar la curvatura de las arrugas del grafeno podría ser una forma de ajustar el comportamiento eléctrico del material. Este enfoque podría, a la larga, contribuir al desarrollo de sensores más sensibles y dispositivos electrónicos ultrafinos.

«La naturaleza ya crea estas diminutas arrugas para nosotros», dijo Iyengar. «Comprender cómo influyen en el comportamiento eléctrico les brinda a los científicos otra herramienta para diseñar tecnologías futuras utilizando la estructura del propio material».

Detalles de la publicación: Sathvik Ajay Iyengar et al., La curvatura subnanométrica desbloquea la flexoelectricidad orbital cuántica en el grafeno, Advanced Materials (2026). DOI: 10.1002/adma.202518224

Información de la revista: Materiales avanzados