Los investigadores de SLAC han encontrado una nueva forma de transformar el grafito, una forma pura de carbono más familiar como la mina de los lápices, en una película similar a un diamante. Crédito:Fabricio Sousa / SLAC
(Phys.org) —Un equipo de investigación dirigido por científicos de SLAC ha descubierto una nueva ruta potencial para producir películas delgadas de diamante para una variedad de aplicaciones industriales. desde herramientas de corte hasta dispositivos electrónicos y sensores electroquímicos.
Los científicos agregaron algunas capas de grafeno, láminas de grafito de un átomo de espesor, a un soporte metálico y expusieron la capa superior al hidrógeno. Para su sorpresa, la reacción en la superficie desencadenó un efecto dominó que alteró la estructura de todas las capas de grafeno de grafito a diamante.
"Proporcionamos la primera evidencia experimental de que la hidrogenación puede inducir tal transición en el grafeno, "dice Sarp Kaya, investigador del Centro SUNCAT de Ciencia de Interfaces y Catálisis y autor correspondiente del estudio reciente.
De mina de lápiz a diamante
El grafito y el diamante son dos formas del mismo elemento químico, carbón. Todavía, sus propiedades no podrían ser más diferentes. En grafito, Los átomos de carbono están dispuestos en láminas planas que pueden deslizarse fácilmente entre sí. Esta estructura hace que el material sea muy suave y se puede utilizar en productos como la mina de lápiz.
En diamante por otra parte, los átomos de carbono están fuertemente enlazados en todas direcciones; por tanto, el diamante es extremadamente duro. Además de la resistencia mecánica, su extraordinaria electricidad, Las propiedades ópticas y químicas contribuyen al gran valor del diamante para aplicaciones industriales.
Esta ilustración muestra cuatro capas de grafeno transformado (hojas individuales de grafito, con átomos de carbono representados como esferas negras) sobre una superficie de platino (esferas azules). La adición de átomos de hidrógeno (esferas verdes) a la capa superior ha desencadenado un efecto dominó que transformó este material similar al grafito en una película similar a un diamante. La película se estabiliza mediante enlaces entre el sustrato de platino y la capa de carbono más inferior. Crédito:Sarp Kaya y Frank Abild-Pedersen / SUNCAT
Los científicos quieren comprender y controlar la transición estructural entre diferentes formas de carbono para transformar selectivamente una en otra. Una forma de convertir el grafito en diamante es aplicando presión. Sin embargo, dado que el grafito es la forma más estable de carbono en condiciones normales, se necesitan aproximadamente 150, 000 veces la presión atmosférica en la superficie de la Tierra para hacerlo.
Ahora, una forma alternativa que funciona en la nanoescala está al alcance de la mano. "Nuestro estudio muestra que la hidrogenación del grafeno podría ser una nueva ruta para sintetizar películas ultrafinas parecidas al diamante sin aplicar presión". "Dice Kaya.
Efecto dominó
Por sus experimentos, los investigadores cargaron un soporte de platino con hasta cuatro hojas de grafeno y agregaron hidrógeno a la capa superior. Con la ayuda de rayos X intensos de la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford de SLAC (SSRL, Beam Line 13-2) y cálculos teóricos adicionales realizados por el investigador de SUNCAT Frank Abild-Pedersen, Luego, el equipo determinó cómo el hidrógeno impactaba en la estructura en capas.
Descubrieron que la unión del hidrógeno iniciaba un efecto dominó, con cambios estructurales que se propagan desde la superficie de la muestra a través de todas las capas de carbono debajo, convirtiendo la estructura inicial similar al grafito de las láminas de carbono planas en una disposición de átomos de carbono que se asemeja al diamante.
El descubrimiento fue inesperado. El objetivo original del experimento era ver si la adición de hidrógeno podía alterar las propiedades del grafeno de una manera que lo hiciera utilizable en transistores. el bloque de construcción fundamental de los dispositivos electrónicos. En lugar de, los científicos descubrieron que la unión del hidrógeno daba como resultado la formación de enlaces químicos entre el grafeno y el sustrato de platino.
Resulta que estos lazos son cruciales para el efecto dominó. "Para que este proceso sea estable, el sustrato de platino debe adherirse a la capa de carbono más cercana a él, "Explica Kaya." La capacidad del platino para formar estos enlaces determina la estabilidad general de la película similar al diamante ".
La investigación futura explorará todo el potencial del grafeno hidrogenado de pocas capas para aplicaciones en las ciencias de los materiales. Será particularmente interesante determinar si las películas con forma de diamante se pueden cultivar en otros sustratos metálicos, utilizando grafeno de varios espesores.
