Los materiales bidimensionales son un concepto un poco alucinante. Los humanos viven en un mundo tridimensional, después de todo, donde todo lo observado en nuestro mundo natural tiene altura, ancho, y profundidad. Y, sin embargo, cuando el grafeno, un material de carbono único en su forma verdaderamente plana, dimensión de un átomo de profundidad:se produjo por primera vez en 2004, el concepto alucinante se convirtió en realidad y en una frontera inexplorada en la ciencia de los materiales.

Los científicos del laboratorio Ames Pat Thiel y Michael Tringides son exploradores en esa frontera, descubrir las propiedades únicas de los materiales y metales bidimensionales (2-D) cultivados en grafeno, grafito, y otras superficies recubiertas de carbono.

"Nuestro trabajo es un milagro, si los científicos pueden hablar de milagros, "dijo Tringides, quien también es profesor de física en la Universidad Estatal de Iowa. "Hace solo unas décadas, nadie hubiera creído que pudiéramos ver átomos individuales, pero nuestras capacidades ahora no solo nos permiten verlas, pero manipularlos, como un niño que construye con ladrillos Lego. Podemos crear estos materiales de abajo hacia arriba, los que nunca podrían suceder en la naturaleza ".

Se crean en un entorno de laboratorio controlado, en un entorno de vacío ultra alto, e investigado con la ayuda de microscopía de túnel de barrido. Después de calentar el sustrato a alta temperatura, se eliminan todas las impurezas y defectos. El sustrato se enfría y los átomos de interés se depositan uno por uno a partir de fuentes especialmente diseñadas. Al ajustar la temperatura y la tasa de deposición, los investigadores buscan la condición similar a Ricitos de Oro:los átomos se mueven ni demasiado rápido ni demasiado lento, por lo que se forma un material verdaderamente bidimensional.

Si bien sus grupos de investigación crean una variedad de materiales de superficie en su trabajo, todos los métodos de fabricación tienen una cosa en común:intentar confinar el ensamblaje de los átomos al plano 2-D. Eso es difícil, porque es contrario a lo que los átomos quieren hacer naturalmente en la mayoría de las condiciones, para montar en tres dimensiones.

"Los átomos son caóticos por naturaleza; luchamos contra esta aleatoriedad en todo lo que hacemos, "dijo Tringides." En nuestro trabajo, los átomos están dispuestos con precisión en una superficie altamente reactiva en el vacío. Todos los aspectos del medio ambiente están controlados. Nuestro trabajo es fabricar muy pequeños, muy limpio, y muy perfecto. Trabajar con materiales a nanoescala lo exige ".

Aprender cómo se comportan estos materiales es primordial. Debido a que los materiales 2-D son todos de superficie sin volumen, una serie de propiedades únicas a nanoescala:químicas, magnético, electrónico, óptico, y térmica — se les puede atribuir.

"Hay un libro de reglas para las propiedades del volumen, o materiales tridimensionales, y contiene grandes porciones que se entienden y aceptan universalmente, "dijo Thiel, un químico físico, científico de materiales, y profesor distinguido de la Universidad Estatal de Iowa. "Pero el libro de reglas para los materiales 2-D no está escrito en gran medida. Hay muchas cosas que no sabemos. Recibimos muchas sorpresas, y luego debemos explicarlos ".

Escribir el libro de reglas sobre el comportamiento de estos materiales es solo el primer paso en un objetivo más amplio; crear materiales ajustables que podrían ser potencialmente útiles en una gran cantidad de aplicaciones tecnológicas, incluida la microelectrónica ultrarrápida, catálisis, y espintrónica.

Es la razón por la que la investigación de Thiel y Tringides se ha centrado en el cultivo de metales en sustratos 2-D durante los últimos cuatro años. convirtiéndolo en una de las principales fortalezas de la investigación de materiales del Laboratorio Ames.

El grafeno ha ganado una atención entusiasta tanto en la investigación científica como en la industria tecnológica porque los electrones viajan muy rápido a lo largo de su superficie. explicó Tringides. Pero para crear dispositivos funcionales, necesita patrones de contactos metálicos de tamaño nanométrico en su superficie, diseñado específicamente para una función deseada.

"Independientemente del material que intentemos crear, la uniformidad de la superficie es la clave para un dispositivo funcional, y ahí es donde entra nuestra investigación "perfecta". Esa perfección nos hace lentos, pero es una compensación ", dijo Tringides." Si podemos obtener una comprensión profunda de cómo estos contactos se pueden producir en condiciones ideales en un entorno controlado, entonces estos métodos pueden optimizarse eventualmente para la producción y uso comercial ".

El éxito más reciente de Thiel y Tringides es la intercalación de disprosio en capas de grafito. La intercalación es la introducción de un material en compuestos con estructuras en capas. Eso es un verdadero desafío con el grafito, ya que su superficie puramente 2-D da como resultado capas "resbaladizas" sin una buena forma de formar enlaces entre ellas.

"Es como una pila de mantas en una cama, "dijo Thiel." Las mantas en sí son estructuralmente sólidas, pero dos mantas apiladas una encima de la otra se deslizan, deslizarse fuera de la cama, y se desprenden fácilmente en capas ". Pero el equipo ha descubierto recientemente las condiciones en las que pueden crear diferentes tipos de sistemas intercalados de metal y grafito, uniendo esas mantas deslizantes de material juntas en dos dimensiones. Es una nueva y prometedora forma de formar una fina capa de un metal protegido por una piel de carbono, y podría abrir el camino hacia materiales con propiedades magnéticas o catalíticas únicas.

Con un enfoque experimental tan estrictamente enfocado y altamente controlado en la ciencia básica, podría ser tentador suponer que su investigación, como sus experimentos, ocurre en el vacío. Pero Thiel atribuye el éxito de la ciencia de superficies en el Laboratorio Ames a la estrecha colaboración de diversos grupos de investigación. "El laboratorio Ames es un entorno fértil para los experimentos de ciencia de superficie porque tenemos la oportunidad de colaborar directamente con muchos científicos en diversas áreas de especialización que abordan el mismo problema desde un punto de vista diferente, "dijo Thiel, including specialists in photonic band gap materials, optical physics, teoría, and materials fabrication. "While that collaboration model has been adopted by other institutions and is the norm now, Ames Lab's intimate size and community culture really started it all, and our achievements in surface science have benefited greatly from it."