Más allá de su capacidad para conducir electrones casi sin resistencia, el grafeno nanomaterial también tiene propiedades mecánicas asombrosas, incluyendo alta resistencia que algún día podría hacerla útil en peso ligero, estructuras robustas. Pero este material no está exento de defectos, incluida una familia de defectos florales que podrían restar valor a sus propiedades electrónicas y mecánicas.

En un artículo publicado en la revista Physical Review B, Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han descrito una familia de siete estructuras de defectos potenciales que pueden aparecer en láminas de grafeno y ejemplos de imágenes del defecto de menor energía de la familia.

Los defectos pueden surgir para ayudar a aliviar el estrés mecánico en la estructura de panal de átomos de carbono del grafeno al permitir que los átomos se extiendan y ocupen un poco más de espacio. Tal estrés puede surgir durante el crecimiento del grafeno o al estirar la hoja de grafeno.

“Para un ingeniero interesado en las propiedades mecánicas del grafeno para crear membranas del grosor de un átomo, por ejemplo, sería muy importante comprender este tipo de propiedades, que podría dar lugar a una deformación plástica del material, "Dijo Phillip First, uno de los coautores del artículo y profesor de la Escuela de Física de Georgia Tech. "Por ejemplo, puede ser que estos defectos sean solo una parte del camino cinético hacia el fallo de una lámina de grafeno tensa ".

Para aplicaciones electrónicas, los defectos podrían desviar los electrones y provocar una retrodispersión que aumentaría la resistencia del material, como una roca en un arroyo ralentiza el flujo de agua. Sin embargo, Primero dice que las técnicas de crecimiento mejoradas desarrolladas desde que comenzó el estudio de defectos pueden eliminar esa preocupación.

“Con las técnicas de crecimiento que ahora se han desarrollado utilizando carburo de silicio, normalmente no vemos estos defectos, ”, Señaló. “Los defectos ocurren en material que sabemos que es de menor calidad debido a las condiciones de crecimiento o preparación del sustrato”.

Los defectos pueden aparecer debido al movimiento de átomos de carbono a altas temperaturas, explicó el miembro del NIST Joseph Stroscio. Los reordenamientos del grafeno que requieren la menor cantidad de energía implican cambiar de los anillos de carbono estándar de seis miembros a estructuras que contienen cinco o siete átomos. Los investigadores del NIST han descubierto que unir anillos de cinco y siete miembros en bucles cerrados crea un nuevo tipo de defecto o bucle de límite de grano en la celosía alveolar.

Según el investigador del NIST Eric Cockayne, el proceso de fabricación juega un papel importante en la creación de defectos.

"A medida que el grafeno se forma a altas temperaturas, secciones de la celosía pueden soltarse y girar, ”Dijo. "A medida que el grafeno se enfría, estas secciones giradas se vinculan de nuevo con la celosía, pero de forma irregular. Es casi como si se cortaran parches de grafeno con unas tijeras, girado en el sentido de las agujas del reloj, y hecho para volver a caber en el mismo lugar. Solo que realmente no encaja por eso recibimos estas flores ".

Hasta aquí, solo el defecto de la flor, que se compone de seis pares de anillos de cinco y siete átomos, ha sido observado. El modelado de la estructura atómica del grafeno por parte del equipo del NIST sugiere que podría haber un verdadero ramo de configuraciones florales. Estas configuraciones, siete en total, poseerían cada una sus propias propiedades mecánicas y eléctricas únicas, Dijo Cockayne.

Primero espera que el equipo pueda seguir estudiando los defectos, tanto para saber si se puede controlar su formación como para aclarar el papel de los defectos en las propiedades mecánicas del material.

"El grafeno es fuerte y ligero, por lo que las propiedades mecánicas son de gran interés, ”, Señaló. “Comprender cómo se desgarra es una cuestión interesante que tiene importantes implicaciones. Pero incluso con estos defectos, el grafeno sigue siendo espectacularmente fuerte ".