Grafeno: Cuanto más lo doblas, más suave se vuelve

21.11.2019

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 de varias capas - una pregunta que ha eludido a los científicos desde que el grafeno fue aislado por primera vez.

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, señalaron los investigadores. Se considera uno de los ingredientes clave de las tecnologías del futuro.

La mayor parte de la investigación actual sobre el grafeno se centra en el desarrollo de dispositivos electrónicos a nanoescala. Sin embargo, los investigadores dicen que muchas tecnologías -desde la electrónica extensible hasta pequeños robots tan pequeños que no pueden ser vistos a simple vista- requieren una comprensión de la mecánica del grafeno, en particular de cómo se dobla 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, estudiante graduado en ciencias de los materiales e ingeniería y coautor del estudio. "Aunque hemos estado estudiando el grafeno durante dos décadas, aún tenemos que resolver esta propiedad fundamental. La razón es que diferentes grupos de investigación han encontrado diferentes respuestas que se extienden a través de órdenes de magnitud".

El equipo descubrió por qué los esfuerzos de investigación anteriores no estaban de acuerdo. "O doblaban el material un poco o lo doblaban mucho", dijo Jaehyung Yu, estudiante graduado en ciencias mecánicas e ingeniería y coautor del estudio. "Pero encontramos que el grafeno se comporta de manera diferente en estas dos situaciones. Cuando se dobla un poco el grafeno multicapa, actúa más como una placa rígida o un trozo de madera. Cuando lo doblas mucho, actúa como una pila de papeles donde las capas atómicas pueden deslizarse unas sobre otras".

"Lo que es emocionante de este trabajo es que muestra que aunque todos estaban en desacuerdo, en realidad todos estaban en lo cierto", 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 todos los desacuerdos mostrando cómo se relacionan entre sí a través de diferentes grados de flexión".

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

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

Al cubrir múltiples capas de grafeno sobre un escalón de entre uno y cinco átomos de altura, 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 la flexión del grafeno", dijo Pinshane Huang, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería 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 tratará de levantarse, resistiendo la tracción de la adhesión. La forma en que el grafeno toma los pasos atómicos codifica toda la información sobre la rigidez del material".

El estudio controló sistemáticamente 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 plancha a plancha", dijo el profesor de ciencias mecánicas e ingeniería Elif Ertekin, quien dirigió la parte de la investigación dedicada al modelado por computadora. "Construimos modelos a escala atómica para mostrar que la razón de que esto pudiera suceder es que las capas individuales pueden deslizarse unas sobre otras. 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 lo suficientemente pequeñas y flexibles como para interactuar con las células o el material biológico, señalaron los investigadores.

"Las células pueden cambiar de forma y responder a su entorno, y si queremos movernos en la dirección de los 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. "Aprovechando el deslizamiento entre capas, hemos demostrado que el grafeno puede ser órdenes de magnitud más suave que los materiales convencionales del mismo grosor."

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

University of Illinois at Urbana-Champaign

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