¿Qué sucede cuando los iones atraviesan materiales sólidos? Es casi imposible observar esto directamente, pero los científicos de TU Wien encontraron una manera de superar este problema.

En TU Wien se producen estados atómicos muy inusuales:los iones se crean eliminando no solo uno, sino entre 20 y 40 electrones de cada átomo. Estos "iones altamente cargados" juegan un papel importante en la investigación actual.

Por mucho tiempo, La gente ha estado investigando qué sucede cuando estos iones altamente cargados chocan con materiales sólidos. Esto es importante para muchas áreas de aplicación en la investigación de materiales. Por lo tanto, es crucial saber cómo cambia el estado de carga de los iones cuando penetran en un material, pero esto es exactamente lo que ha sido imposible de observar directamente hasta ahora. Nuevas mediciones en TU Wien (Viena) muestran que los iones obedecen a leyes notablemente simples.

Materiales de sondeo capa por capa

Cuando los iones muy cargados penetran en un material sólido, pueden recuperar los electrones faltantes del material y, por lo tanto, volverse eléctricamente neutrales. Pero cómo y dónde sucede esto exactamente es difícil de investigar, porque sucede dentro del material.

"Sabíamos que este proceso debe ser muy rápido, porque incluso una capa bastante fina de material es suficiente para neutralizar completamente los iones, "dice Anna Niggas, primer autor del presente estudio. Actualmente está trabajando en su disertación en el grupo del Prof. Richard Wilhelm en el Instituto de Física Aplicada en TU Wien.

La observación visual de los procesos dentro del material puede ser casi imposible, pero nuevos materiales 2D como el grafeno, que consta de una sola capa de átomos de carbono, ahora dan a los científicos la oportunidad de llegar al fondo de estos fenómenos por primera vez:"Las capas de grafeno se pueden apilar una encima de la otra, para que se creen muestras cada vez más gruesas; puede ensamblar un cuerpo sólido capa por capa, "dice Richard Wilhelm." Hemos estudiado solteros, capas de grafeno dobles y triples. De esa manera, podemos ver paso a paso, capa atómica por capa atómica, cómo cambian los iones altamente cargados ".

De este modo, puedes estudiar una transición, de una sola capa atómica a un material tridimensional ordinario. Grafito, el material del que están hechas las minas de lápiz, no es más que una gran cantidad de capas de grafeno apiladas una encima de la otra.

Es el momento que importa

Los iones atraviesan las diferentes capas de carbono a diferentes velocidades. Resulta que el factor decisivo es el tiempo que pasa el proyectil en las inmediaciones de las capas atómicas. "Si tenemos en cuenta que los iones pasan dos o tres veces más tiempo en contacto con átomos de carbono en su camino a través de dos o tres capas de grafeno que en una sola capa de grafeno, entonces se puede explicar con una fórmula simple qué tan rápido los iones capturan electrones y cambian su estado de carga, "Explica Anna Niggas." Con nuestros resultados, ahora podemos calcular por primera vez cuántas capas atómicas se necesitan hasta que los iones sean eléctricamente neutros ".

Dinámicas de gran trascendencia

Para estudiar la dinámica de la captura de electrones, primero hay que preparar las muestras con mucho cuidado. El Dr. Bernhard C. Bayer del Instituto de Química de Materiales en TU Wien logró caracterizar con precisión las capas atómicas utilizando microscopía de alta resolución, un gran desafío cuando solo hay muy poco material disponible para la investigación en las capas atómicamente delgadas.

Los nuevos hallazgos son importantes para muchas áreas de investigación:por un lado, De esta manera se pueden estudiar fenómenos muy fundamentales a los que es difícil acceder con otros métodos. Por otra parte, la interacción entre iones y materiales sólidos también es importante para aplicaciones muy prácticas, por ejemplo, en el análisis de materiales, donde los iones se utilizan para estudiar en detalle las propiedades de nuevos tipos de materiales, o en tecnología de semiconductores, donde los haces de iones se utilizan para estructurar circuitos.