(Phys.org) - Científicos e ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee (UWM) han descubierto un material completamente nuevo a base de carbono que se sintetiza a partir del "niño maravilla" de la familia del carbono, grafeno. El descubrimiento, que los investigadores llaman "monóxido de grafeno (OMG), ”Acerca los materiales de carbono a dar paso a la electrónica de próxima generación.

Grafeno una capa de carbono de un átomo de espesor que se asemeja a una hoja plana de alambre de gallinero a nanoescala, tiene el potencial de revolucionar la electrónica porque conduce la electricidad mucho mejor que los cables de oro y cobre utilizados en los dispositivos actuales. Los transistores hechos de silicio se están acercando al tamaño mínimo en el que pueden ser efectivos, lo que significa que la velocidad de los dispositivos pronto tocará fondo. Los materiales de carbono a nanoescala podrían ser el remedio.

En la actualidad, las aplicaciones del grafeno son limitadas porque su producción en masa es demasiado cara. Otro problema es que hasta ahora, Los materiales relacionados con el grafeno existían solo como conductores o aislantes.

“Un impulso importante en la comunidad de investigación del grafeno es hacer que el material sea semiconductor para que pueda usarse en aplicaciones electrónicas, "Dice Junhong Chen, profesor de ingeniería mecánica y miembro del equipo de investigación. "Nuestra mayor contribución en este estudio se logró mediante una modificación química del grafeno".

Los OGM exhiben características que harán que sea más fácil de escalar que el grafeno. Y, como el silicio en la generación actual de electrónica, OMG es semiconductor, necesario para controlar la corriente eléctrica en un conductor tan fuerte como el grafeno. Ahora las tres características de la conductividad eléctrica:conducción, aislantes y semiconductores:se encuentran en la familia del carbono, ofreciendo la compatibilidad necesaria para su uso en la electrónica futura.

Mezcla de teoría y experimentos

El equipo creó OMG mientras realizaba una investigación sobre el comportamiento de un nanomaterial híbrido diseñado por Chen que consta de nanotubos de carbono (esencialmente, grafeno enrollado en un cilindro) decorado con nanopartículas de óxido de estaño. Chen usa su material híbrido para hacer de alto rendimiento, Sensores económicos y energéticamente eficientes.

Para visualizar el material híbrido tal como lo estaba sintiendo, él y la profesora de física Marija Gajdardziska utilizaron un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM). Pero para explicar lo que estaba pasando, la pareja necesitaba saber qué moléculas se unían a la superficie de los nanotubos, que se adhieren a la superficie de óxido de estaño, y cómo cambiaron con el apego.

Así que la pareja se dirigió a la profesora de física Carol Hirschmugl, quien recientemente fue pionero en un método de imágenes infrarrojas (IR) que no solo ofrece imágenes de alta definición de muestras, pero también genera una “firma” química que identifica qué átomos están interactuando cuando ocurre la detección.

Chen y Gajdardziska sabían que necesitarían buscar más sitios de unión de los que están disponibles en la superficie de un nanotubo de carbono. Entonces "desenrollaron" el nanotubo en una hoja de grafeno para lograr un área más grande.

Eso los llevó a buscar formas de hacer grafeno a partir de su primo, óxido de grafeno (GO), un aislante que se puede ampliar de forma económica. GO consiste en capas de grafeno apiladas una encima de la otra en una orientación no alineada. Es objeto de mucha investigación, ya que los científicos buscan formas más económicas de replicar las propiedades superiores del grafeno.

Resultado desconcertante

En un experimento, calentaron el GO al vacío para reducir el oxígeno. En lugar de ser destruido, sin embargo, los átomos de carbono y oxígeno en las capas de GO se alinearon, transformándose en los "ordenados, ”OMG semiconductor:un óxido de carbono que no existe en la naturaleza.

No fue el resultado que esperaban.

"Pensamos que el oxígeno desaparecería y dejaría grafeno multicapa, así que la observación de algo diferente a eso fue una sorpresa, "Dice Eric Mattson, estudiante de doctorado de Hirschmugl.

A diferentes temperaturas altas, de hecho, el equipo produjo cuatro nuevos materiales a los que colectivamente se refieren como OGM. Capturaron un video del proceso utilizando Difracción de Electrones de Área Seleccionada (SAED) en un microscopio electrónico de transmisión.

Debido a que los OGM se forman en hojas individuales, Gajdardziska dice que el material podría tener aplicaciones en productos que involucren catálisis superficial. Ella, Hirschmugl y Chen también están explorando su uso en las partes del ánodo de las baterías de iones de litio, lo que podría hacerlos más eficientes.

Proceso laborioso

Pero el siguiente paso es más ciencia. El equipo deberá averiguar qué provocó la reorganización del material, y también qué condiciones arruinarían la formación del OMG.

“En el proceso de reducción, esperas perder oxígeno, "Dice Michael Weinert, profesor de física y director del Laboratorio de Estudios de Superficies de la UWM. “Pero en realidad obtuvimos más contenido de oxígeno. Así que estamos en un punto en el que todavía estamos aprendiendo más al respecto ".

Weinert señala que solo han producido OMG a pequeña escala en un laboratorio y no están seguros de lo que encontrarán al ampliarlo.

El equipo tuvo que tener cuidado al calcular cómo fluían los electrones a través de OGM, él añade. Las interacciones que ocurren tenían que ser interpretadas a través de un minucioso proceso de seguimiento de los indicadores de estructura y luego eliminar aquellos que no encajaban.

“Fue un proceso largo, "Dice Weinert, "No es uno de esos momentos de '¡Eureka!'".