(Phys.org) —Como pequeños barcos que encuentran un puerto en una tormenta, Los átomos de carbono se acoplan a la isla mayor de grafeno de una manera predecible. Pero hasta una investigación reciente realizada por científicos de la Universidad de Rice, nadie tenía las herramientas para hacer ese tipo de predicciones.

La corriente eléctrica se dispara directamente a través de una hoja de grafeno sin defectos y casi sin resistencia. una característica que hace que el material sea muy atractivo para los ingenieros que lo usarían en cosas como pantallas táctiles y otros dispositivos electrónicos, dijo el físico teórico de Rice Boris Yakobson. Es coautor de un nuevo artículo sobre la formación del grafeno que aparecerá esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Para examinar exactamente lo que sucede a nivel atómico, Yakobson y sus colegas de Rice observaron de cerca el proceso ahora común llamado deposición química de vapor (CVD), en el que una fuente de carbono calentada en un horno se expone a un catalizador metálico para formar grafeno, una capa de un solo átomo de carbono puro.

Yakobson, El profesor Karl F. Hasselmann de Rice de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales y profesor de química, y sus colegas calcularon las energías de los átomos individuales a medida que se acumulan para formar grafeno en el muelle del "nano-reactor" donde se encuentran el vapor de carbono y el catalizador. Con la ayuda de teorías aplicadas desde hace mucho tiempo al crecimiento de cristales, ellos determinaron que, en equilibrio, es más probable que se formen algunos patrones de grafeno que otros, dependiendo del catalizador utilizado.

Un problema ha sido que el borde de una hoja de grafeno dicta cómo, o incluso si, la corriente puede llegar a un electrodo. Los límites de los granos, las transiciones en los ángulos de los hexágonos que aparecen cuando las islas de grafeno se fusionan durante el crecimiento, también pueden descarrilar los electrones. Yakobson dijo que estos bordes y límites determinan la electrónica general de la hoja, propiedades mecánicas y magnéticas, por lo que conocer las condiciones en las que el grafeno favorecería los bordes que parecen zigzags o sillones, o algún ángulo intermedio, es importante para los investigadores que desean cultivar el material para su uso en componentes electrónicos.

Yakobson y sus coautores, el investigador asociado Vasilii Artyukhov y el estudiante de posgrado Yuanyue Liu, se basó en su conocimiento del crecimiento de cristales para su teoría de nano-reactores. Presentan un modelo completo de cómo los átomos migran de la materia prima, generalmente una neblina rica en carbono en un horno CVD (y, a veces, famosamente, una galleta) - al catalizador y finalmente a la red de grafeno.

"Debido a los talentos y esfuerzos de los químicos de materiales, el grafeno ahora crece como moho en casi cualquier cosa, y de casi cualquier materia prima, ", Dijo Yakobson." Pero cómo se ve y la forma que toma es difícil de entender o predecir.

"Si derramas un poco de agua en un piso, mesa horizontal, formará un pequeño charco de forma circular, porque el agua es isotrópica, todas las direcciones son idénticas, y un círculo tiene el perímetro más pequeño y, por lo tanto, la forma de menor energía, " él dijo.

Pero en la nanoescala, Los átomos de carbono no siempre actúan como agua. "Cuando se 'derrama' carbono sobre el metal, las cosas se complican más, ", dijo." Las diferentes direcciones dictan diferentes propiedades físicas, y como un resultado, la forma del grafeno puede ser un polígono, una estrella o una flor ".

Eso suena como la forma en que crece un cristal una propiedad que no se pierde para los investigadores.

"A pesar de la enorme cantidad de investigaciones que se están realizando sobre el grafeno en todo el mundo, Casi nadie hasta ahora ha tratado la síntesis de grafeno como un proceso de crecimiento de cristales y ha aprovechado el rico conjunto de herramientas teóricas desarrolladas a mediados del siglo XX para la tecnología de semiconductores. "Artyukhov dijo." La teoría del crecimiento de cristales es un campo de la ciencia grande y establecido, y hay muchos más conceptos que se pueden aplicar a la síntesis de grafeno más allá de los primeros pasos descritos en nuestro trabajo ".

La forma definitiva del grafeno depende de la sutil interacción de energías y la velocidad de crecimiento. Como el agua, los átomos toman el camino de menor resistencia, y ese camino puede cambiar debido a cambios leves de temperatura y variaciones en la densidad del vapor de carbono.

"A medida que se agrega carbono en el crecimiento de CVD, diferentes lados avanzan con diferentes velocidades, "Dijo Yakobson.

El equipo utilizó la teoría funcional de la densidad para calcular la formación de grafeno para todas las posibles orientaciones de los bordes en varios catalizadores. incluido el níquel, planchar, cobre y cobalto. Descubrieron que se pueden mapear los niveles de energía de los átomos, paso a paso, a medida que dejan el vapor y se unen a la celosía en un nanoactor.

Una hoja de grafeno comienza a formarse cuando los primeros átomos de carbono se adhieren al catalizador y establecen un núcleo alrededor del cual los átomos continúan depositándose. El grafeno crece en filas a medida que se agregan nuevos átomos, pero las filas no tienen bordes rectos. Algunos tienen un patrón en zigzag, otros forman una forma más compleja que los científicos llaman sillón. La forma del patrón del borde viene dictada por el uso más eficiente de energía. El equipo de Rice descubrió que los bordes en zigzag se enfrentan a una barrera de alta energía al comienzo de una nueva fila, pero el resto de los átomos de la fila se alinean rápida y fácilmente. Para sillones, la barrera inicial es más pequeña pero sigue siendo la misma para cada átomo subsiguiente que atraque.

Los bordes sesgados, entre el zigzag y el sillón, crecen más rápido de todos, porque tienen la barrera de energía más pequeña que superar para comenzar o completar una fila, Dijo Liu. También interesante, él dijo, Es el hallazgo de que el vapor de carbono con pares de átomos llamados dímeros podría provocar un crecimiento de grafeno más rápido y de mejor calidad.

Los investigadores encontraron que los bordes en zigzag rezagados son un cuello de botella que, independiente del sustrato metálico, ayuda a determinar la forma general de una floración de grafeno. Otros factores cinéticos también pueden conducir a variaciones que producen estrellas, flores o formas asimétricas.

Los investigadores se sorprendieron al descubrir que los bordes de los sillones de pentágono abierto son el patrón de crecimiento más probable en equilibrio sobre el hierro. cobalto y níquel, mientras que los bordes en zigzag fueron especialmente pronunciados en un catalizador de cobre. También encontraron evidencia matemática de que ciertos defectos, en el que los pares de polígonos de cinco y siete átomos reemplazan a los hexágonos adyacentes, es poco probable que se formen excepto en el vacío, un escenario poco realista para el crecimiento del grafeno. Eso pone la nueva teoría en línea con el trabajo anterior de Yakobson para mostrar cuán improbables son los defectos que se forman cuando se cultivan nanotubos de carbono.

Yakobson dijo que la teoría avanza en uno que la comunidad del crecimiento del carbono considera canónico, el paradigma vapor-líquido-sólido, al llegar hasta los detalles más pequeños.