Un enfoque híbrido para analizar y diseñar materiales basados en láminas de grafeno
Este nuevo método permite evaluar directamente la rigidez a la flexión de las láminas de grafeno con defectos en la red, lo que ayuda a diseñar nuevos materiales
La teoría de Helfrich de la flexión de membranas, apoyada por simulaciones de dinámica molecular, es un enfoque prometedor para evaluar las propiedades mecánicas de las láminas de grafeno, informan investigadores del Instituto de Ciencias de Tokio. Este método híbrido permite evaluar directamente la rigidez a la flexión de las láminas de grafeno, incluso con defectos en la red, sin necesidad de ensayos experimentales, lo que ofrece información valiosa para diseñar nuevos materiales bidimensionales con propiedades mecánicas a medida.
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Evaluación cuantitativa de la rigidez a la flexión en láminas de grafeno con disclinaciones
Las láminas de grafeno (GS) son materiales bidimensionales (2D) de nanocarbono conocidos por su notable flexibilidad, su excepcional resistencia mecánica y su capacidad para adoptar diferentes formas. En concreto, introduciendo anillos de 5 o 7 miembros en GS hexagonales, se pueden formar formas cónicas o en forma de silla de montar. Imaginemos un trozo de papel hexagonal dividido en seis triángulos equiláteros. Si se quita un triángulo, se crea un anillo de 5 miembros que, al doblarse, forma un cono, mientras que si se añade un triángulo, se forma un anillo de 7 miembros que produce una forma similar a una silla de montar. Estas estructuras anulares son defectos reticulares de tipo rotacional conocidos como disclinaciones.
Las disclinaciones se han utilizado para desarrollar diversos materiales basados en GS. Por ejemplo, los GS con forma de onda, llamados grafeno en bandeja de huevo, que tienen anillos periódicos de 5 o 7 miembros, son conocidos por su resistencia a los impactos. Los GS con anillos de 7 miembros son prometedores para su uso como nanopartículas. Estos defectos de la red tienen un efecto significativo en la curvatura local y en las propiedades mecánicas de los GS, especialmente en su rigidez a la flexión. Mientras que la rigidez a la flexión de los GS planos ha sido bien estudiada, la de los GS con disclinaciones sigue siendo poco conocida debido a la variabilidad introducida por las deformaciones, que dificultan las mediciones precisas.
Para colmar esta laguna, un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Xiao-Wen Lei, de la Escuela de Materiales y Tecnología Química del Instituto de Ciencias de Tokio (Science Tokyo), Japón, desarrolló un nuevo enfoque. "Hemos desarrollado un nuevo enfoque híbrido, que combina simulaciones de dinámica molecular con la teoría de Helfrich de la flexión de membranas", explica Lei. "Este método permite evaluar directamente la rigidez de flexión de las GS con defectos reticulares directamente a partir de configuraciones atómicas sin necesidad de pruebas experimentales". En el equipo participaron el estudiante de posgrado Yushi Kunihiro y el profesor Toshiyuki Fujii, de Science Tokyo, y el profesor asociado Takashi Uneyama, de la Universidad de Nagoya.
La teoría de Helfrich de la flexión de membranas describe la flexión fuera del plano de materiales 2D modelando su curvatura mediante consideraciones energéticas. Aunque se desarrolló originalmente para analizar las bicapas lipídicas de las células biológicas, esta teoría también es aplicable a las GS debido a sus similitudes geométricas y mecánicas. Sin embargo, resolver esta teoría analíticamente es notoriamente difícil. Para simplificar el análisis, los investigadores aplicaron simulaciones de dinámica molecular.
Con este enfoque, el equipo analizó cuatro tipos de modelos analíticos de GSs con disclinaciones: monopolos de disclinación positiva (anillos de 5 miembros), monopolos de disclinación negativa (anillos de 7 miembros) y dipolos de disclinación conectados y separados que combinan los monopolos. En los dipolos conectados, las desclinaciones positivas y negativas se colocan juntas, mientras que en los dipolos separados, se separan a distancias variables de los dipolos separados.
Los valores de rigidez a la flexión calculados se encontraban dentro del rango razonable indicado en estudios anteriores, lo que pone de relieve la validez del planteamiento. Más notablemente, los resultados revelaron, por primera vez, diferencias en las tendencias entre GSs con monopolos y dipolos. Los dipolos de inclinación mostraron una rigidez a la flexión similar una vez excluidos los efectos no lineales. En el caso de los dipolos, la combinación de superficies cónicas y en forma de silla de montar dio lugar a un cambio local en la forma con el correspondiente cambio local en la rigidez a la flexión. Además, a medida que aumenta la distancia entre las disclinaciones, la rigidez a la flexión converge hacia un valor estable, lo que pone de relieve la importancia de la densidad de los defectos reticulares.
"Nuestros hallazgos no sólo ofrecen una base para comprender las propiedades mecánicas de los GS con defectos reticulares, sino también ideas para diseñar nuevos GS con rigideces a la flexión específicas y propiedades mecánicas a medida", señala Lei. En general, este estudio acelerará el desarrollo de nuevos materiales basados en GS, como nanorresortes y estructuras de grafeno resistentes a los impactos, que conducirán a materiales 2D avanzados".
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