Investigadores de Rice demuestran que las nanoarrugas de grafeno pueden modificar el comportamiento de la electricidad
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Investigadores de la Universidad Rice han demostrado que las diminutas arrugas en el grafeno pueden alterar las propiedades eléctricas del material, lo que aporta pruebas de la existencia de la flexoelectricidad, un fenómeno en el que un material genera una carga eléctrica cuando se dobla de forma irregular. Los resultados se han publicado en la revista *Advanced Materials*.
Investigadores de la Universidad Rice han demostrado que las pequeñas arrugas del grafeno pueden modificar las propiedades eléctricas de este material.
Image courtesy of Ajayan lab/Rice University
El descubrimiento sugiere que los científicos podrían controlar la electricidad en materiales de espesor atómico modificando su forma, en lugar de añadir nuevas sustancias químicas o materiales. Este enfoque podría conducir algún día a sensores más sensibles y a dispositivos electrónicos ultrafinos.
«Nuestro trabajo demuestra que incluso una arruga común y corriente puede convertirse en una característica electrónica extraordinaria cuando se observa a escala atómica», afirmó Pulickel Ajayan, catedrático de Ingeniería Benjamin M. y Mary Greenwood Anderson y coautor correspondiente del estudio. «Al demostrar que la geometría por sí sola puede remodelar el comportamiento eléctrico del grafeno, abrimos una nueva vía para diseñar materiales cuyas propiedades puedan controlarse a través de la estructura en lugar de la química».
Un análisis detallado de 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 de forma natural con pliegues comprimidos en espacios inferiores a una milmillonésima de metro, donde la curvatura extrema puede desplazar los electrones hacia un lado del material.
«Imagina doblar una regla flexible, pero con la diferencia de que la curvatura se comprime en un espacio inferior a una milmillonésima de metro», explicó Sathvik Ajay Iyengar, antiguo estudiante de doctorado de la Universidad 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 batería minúscula».
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 la espectroscopia Raman, una técnica basada en láser que revela cómo se estiran o comprimen los átomos, junto con simulaciones por ordenador que predijeron cómo la curvatura modifica el movimiento de los electrones. La comparación de las arrugas muy curvadas con el grafeno plano cercano permitió al equipo aislar los efectos de la curvatura.
«Los estudios anteriores solían examinar curvaturas más suaves o se basaban en presión externa, lo que dificultaba aislar este efecto sutil», explicó Iyengar. «Comparar las arrugas muy curvadas 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 diminutos badenes eléctricos. Sus extremos muy curvados alteraban la energía eléctrica local y generaban de forma constante una corriente eléctrica una vez que se aplicaba aproximadamente un voltio de tensión, lo que coincidía estrechamente 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 cargas eléctricas resultante, denominada polarización, era entre 100 000 y 10 millones de veces más intensa que en sistemas flexoeléctricos mucho más grandes. La polarización es la separación de las cargas eléctricas positivas y negativas dentro de un material.
«La nitidez de la arruga resultó ser mucho más importante que su tamaño total», afirmó Iyengar. «Esto nos indica que, potencialmente, podemos ajustar el comportamiento eléctrico controlando cuidadosamente la curvatura a escala nanométrica».
De la predicción a la evidencia
El descubrimiento se remonta a 2008, cuando el físico teórico Vincent Meunier predijo que doblar el grafeno con una curvatura pronunciada podría reorganizar sus electrones y producir una respuesta eléctrica. Meunier, actualmente titular de la Cátedra P. B. Breneman y director del Departamento de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica de la Universidad Estatal de Pensilvania, es coautor correspondiente del estudio. En aquel momento, medir el efecto en pliegues de tan solo unos pocos átomos de ancho resultaba extremadamente difícil.
Años más tarde, Iyengar volvió a examinar los datos que había recopilado junto con Manoj Tripathi —coautor correspondiente de la Universidad de Sussex y actualmente en la Universidad de Minas de Dakota del Sur— y encontró señales eléctricas inusuales en las arrugas más pronunciadas del grafeno. Le presentó los hallazgos a Meunier, quien había sido uno de los directores de su tesis doctoral.
«Cuando Sathvik me mostró las mediciones que él y Manoj habían recopilado, nos dimos cuenta de que esas señales inusuales podían proporcionar una conexión experimental con una idea que habíamos predicho muchos años antes», explicó Meunier. «La combinación de los experimentos y los cálculos a escala atómica nos permitió comprobar esa conexión directamente».
Abriendo nuevas posibilidades para la electrónica
Los investigadores señalaron que los hallazgos podrían ayudar a los científicos a explorar si el control de la curvatura de las arrugas del grafeno podría ofrecer una forma de ajustar el comportamiento eléctrico del material. Ese enfoque podría, con el tiempo, contribuir al desarrollo de sensores más sensibles y dispositivos electrónicos ultrafinos.
«La naturaleza ya crea estas diminutas arrugas por nosotros», señaló Iyengar. «Comprender cómo influyen en el comportamiento eléctrico proporciona a los científicos otra herramienta para diseñar tecnologías futuras utilizando la propia estructura del material».
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.
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