Los modelos estructurales de "aros de cebolla" de grafeno hexagonal muestran una capa de grafeno, una hoja de carbono de un solo átomo de espesor, encima de un conjunto de nanocintas concéntricas. Las cintas crecen por deposición de vapor químico a alta presión, atmósfera rica en hidrógeno. Crédito:Yuanyue Liu / Rice University
Los hexágonos concéntricos de grafeno cultivados en un horno en la Universidad de Rice representan la primera vez que alguien ha sintetizado nanocintas de grafeno en metal de abajo hacia arriba, átomo por átomo.
Visto bajo un microscopio, las capas trajeron cebollas a la mente, dijo el químico de Rice James Tour, hasta que un colega sugirió que el grafeno plano nunca podría ser como una cebolla.
"Y yo dije, 'OK, estos son aros de cebolla, ", Bromeó Tour.
El nombre se quedó y los notables anillos que los químicos se maravillaban eran incluso posibles se describen en un nuevo artículo en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .
El desafío era descubrir cómo podía crecer algo así, Tour dijo. Generalmente, el grafeno cultivado en un horno caliente por deposición de vapor químico comienza en una semilla:una mota de polvo o un bulto en una superficie de cobre u otra superficie metálica. Un átomo de carbono se adhiere a la semilla en un proceso llamado nucleación y otros siguen para formar la conocida red de alambre de gallinero.
Los experimentos en el laboratorio de Tour para ver cómo el grafeno crece a alta presión y en un ambiente rico en hidrógeno produjeron los primeros anillos. En esas condiciones, Excursión, El físico teórico de Rice, Boris Yakobson, y sus equipos descubrieron que todo el borde de una hoja de grafeno de rápido crecimiento se convierte en un sitio de nucleación cuando se hidrogena. El borde permite que los átomos de carbono entren debajo de la piel del grafeno, donde comienzan una nueva hoja.
Pero debido a que el grafeno superior crece tan rápido, eventualmente detiene el flujo de átomos de carbono a la nueva hoja debajo. El fondo deja de crecer dejando un anillo de grafeno. Entonces el proceso se repite.
Una imagen de microscopio electrónico de grafeno "aros de cebolla" muestra la concéntrica, cintas oscuras a través de la hoja de grafeno que la recubre. Las cintas siguen la forma de la hoja de grafeno en crecimiento, que toma la forma de un hexágono. Crédito:Tour Group / Rice University
"El mecanismo se basa en esa capa superior para evitar que el carbono llegue al fondo con tanta facilidad, "Dijo Tour." Lo que obtenemos es un múltiplo de cristales individuales que crecen uno encima del otro ".
El laboratorio Tour fue pionero en la fabricación a granel de nanocintas de grafeno de un solo átomo de espesor en 2009 con el descubrimiento de que los nanotubos de carbono podían "descomprimirse" químicamente en largos, hojas delgadas. Se están estudiando las nanocintas para su uso en baterías y electrónica avanzada y como disipadores de calor.
"Por lo general, se hace una cinta tomando una cosa grande y cortándola, ", Dijo Tour." Pero si puedes hacer crecer una cinta de abajo hacia arriba, podrías tener el control de los bordes ". La configuración atómica en el borde ayuda a determinar las propiedades eléctricas del grafeno. Los bordes de los aros de cebolla de grafeno hexagonales son en zigzag, que hacen que los anillos sean metálicos.
"La gran noticia aquí, " él dijo, "es que podemos cambiar las presiones relativas del entorno de crecimiento del hidrógeno frente al carbono y obtener estructuras completamente nuevas. Esto es dramáticamente diferente del grafeno normal".
Estudiante de posgrado Zheng Yan, miembro del laboratorio de Tour y autor principal del artículo, descubrió la nueva ruta hacia las nanocintas mientras experimentaba con el crecimiento del grafeno bajo hidrógeno presurizado en diversos grados. El punto óptimo para los anillos estaba en 500 Torr, él dijo.
Las pruebas adicionales encontraron que los anillos microscópicos se formaron debajo y no encima de la hoja, y el laboratorio de Yakobson confirmaron el mecanismo de crecimiento mediante cálculos del primer principio. Yan también determinó que la hoja superior de grafeno podría eliminarse con plasma de argón, dejando anillos independientes.
El ancho de los anillos, que osciló entre 10 y 450 nanómetros, también afecta sus propiedades electrónicas, por lo que encontrar una forma de controlarlo será un foco de investigación continua, Tour dijo. "Si podemos hacer consistentemente cintas de 10 nanómetros, podemos comenzar a bloquearlos y convertirlos en transistores de bajo voltaje, ", dijo. También pueden ser adecuados para el almacenamiento de litio para baterías de iones de litio avanzadas, él dijo.
