27.06.2022 - Universität Wien

El grafeno "caliente" revela la migración de los átomos de carbono

El estudio es un ejemplo de serendipia en la investigación

Recientemente se ha medido por primera vez la migración de átomos de carbono en la superficie del nanomaterial grafeno. Aunque los átomos se mueven con demasiada rapidez para ser observados directamente con un microscopio electrónico, ahora se puede determinar su efecto en la estabilidad del material de forma indirecta mientras se calienta en una placa caliente microscópica. El estudio de los investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Viena se ha publicado en la revista Carbon.

El carbono es un elemento esencial para toda la vida conocida y existe en la naturaleza principalmente como grafito o diamante. En las últimas décadas, los científicos de materiales han creado muchas formas novedosas de carbono que incluyen fullerenos, nanotubos de carbono y grafeno. El grafeno, en particular, ha sido objeto de una intensa investigación, no sólo por sus propiedades superlativas, sino también porque se adapta especialmente bien a los experimentos y a la modelización. Sin embargo, no ha sido posible medir algunos procesos fundamentales, como el movimiento de los átomos de carbono en su superficie. Esta migración aleatoria es el origen atómico del fenómeno de la difusión.

La difusión (del latín diffundere: "esparcir", "dispersar") se refiere al movimiento natural de partículas como átomos o moléculas en gases, líquidos o sólidos. En la atmósfera y los océanos, este fenómeno garantiza una distribución uniforme del oxígeno y la sal. En las industrias técnicas, tiene una importancia fundamental para la producción de acero, las baterías de iones de litio y las pilas de combustible, por citar sólo algunos ejemplos. En la ciencia de los materiales, la difusión en la superficie de los sólidos explica el desarrollo de ciertas reacciones catalíticas y el crecimiento de muchos materiales cristalinos, como el grafeno.

La velocidad de difusión en la superficie suele depender de la temperatura: cuanto más caliente, más rápido migran los átomos. En principio, midiendo esta velocidad a diferentes temperaturas, podemos determinar la barrera energética que describe la facilidad con la que los átomos esperan pasar de un sitio de la superficie al siguiente. Sin embargo, esto es imposible por medio de imágenes directas si no permanecen en su sitio durante el tiempo suficiente, que es el caso de los átomos de carbono en el grafeno. Por eso, hasta ahora, nuestra comprensión se basaba en simulaciones por ordenador. El nuevo estudio supera esta dificultad midiendo indirectamente su efecto mientras se calienta el material en una placa caliente microscópica dentro de un microscopio electrónico.

Al visualizar la estructura atómica del grafeno con electrones mientras se expulsan átomos ocasionalmente, los investigadores pudieron determinar la velocidad a la que deben moverse los átomos de carbono en la superficie para explicar el llenado de los agujeros resultantes a temperaturas elevadas. Combinando la microscopía electrónica, las simulaciones por ordenador y la comprensión de la interacción del proceso de formación de imágenes con la difusión, se pudo medir una estimación de la barrera energética. "Después de un cuidadoso análisis, hemos precisado el valor en 0,33 electronvoltios, algo menos de lo esperado", afirma el autor principal, Andreas Postl.

El estudio es también un ejemplo de serendipia en la investigación, ya que el objetivo original del equipo era medir la dependencia de la temperatura de este daño por irradiación. "Sinceramente, esto no era lo que nos habíamos propuesto estudiar inicialmente, pero este tipo de descubrimientos en la ciencia suelen producirse al perseguir persistentemente detalles pequeños pero inesperados", concluye el autor principal, Toma Susi.

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