Después de la decoración con nanopartículas de maghemita, el grafeno forma espontáneamente nanocrollos. Los cilindros oscuros en la parte superior de la imagen muestran nanopergaminos de grafeno que están cubiertos con una capa suave de pequeñas partículas. Los nanocrolls forman "paquetes" con 5-10 cilindros debido a la interacción entre los nanocrolls. La parte inferior de la imagen muestra una imagen simulada de una hoja de grafeno en el proceso de desplazamiento. La región ampliada muestra una nanopartícula de maghemita adherida a la hoja de grafeno.
Investigadores de la Universidad de Umea, junto con investigadores de la Universidad de Uppsala y la Universidad de Estocolmo, muestran en un nuevo estudio cómo el grafeno dopado con nitrógeno se puede enrollar en nano rollos de Arquímedes perfectos adhiriendo nanopartículas magnéticas de óxido de hierro en la superficie de las láminas de grafeno. El nuevo material puede tener muy buenas propiedades para su aplicación como electrodos en, por ejemplo, baterías de iones de litio.
El grafeno es uno de los materiales más interesantes para futuras aplicaciones en todo, desde electrónica de alto rendimiento, componentes ópticos a materiales flexibles y resistentes. El grafeno ordinario está formado por láminas de carbono que tienen un grosor único o de pocas capas atómicas.
En el estudio, los investigadores han modificado el grafeno reemplazando algunos de los átomos de carbono por átomos de nitrógeno. Mediante este método obtienen sitios de anclaje para las nanopartículas de óxido de hierro que se decoran sobre las láminas de grafeno en un proceso de solución. En el proceso de decoración se puede controlar el tipo de nanopartículas de óxido de hierro que se forman en la superficie del grafeno, para que formen la llamada hematita (la forma rojiza del óxido de hierro que a menudo se encuentra en la naturaleza) o maghemita, una forma menos estable y más magnética de óxido de hierro.
"Curiosamente, observamos que cuando el grafeno está decorado con maghemita, las hojas de grafeno comienzan a enrollarse espontáneamente en perfectos nano pergaminos de Arquímedes, mientras que cuando está decorado con nanopartículas de hematita menos magnéticas, el grafeno permanece como láminas abiertas, dice Thomas Wågberg, Profesor titular del Departamento de Física de la Universidad de Umeå.
Instantánea de un nanocroll parcialmente reabierto. La capa atómica gruesa de grafeno se asemeja a una lámina delgada con algunas arrugas.
Los nanocrolls se pueden visualizar como "rollos suizos" tradicionales donde el bizcocho representa el grafeno, y el relleno cremoso son las nanopartículas de óxido de hierro. Sin embargo, los nanocrolls de grafeno son alrededor de un millón de veces más delgados.
Los resultados que ahora se han publicado en Comunicaciones de la naturaleza son conceptualmente interesantes por varias razones. Muestra que la interacción magnética entre las nanopartículas de óxido de hierro es uno de los principales efectos detrás de la formación de volutas. También muestra que los defectos de nitrógeno en la red de grafeno son necesarios para estabilizar un número suficientemente alto de nanopartículas de maghemita, y también responsable de "pandear" las láminas de grafeno y por lo tanto reducir la energía de formación de los nanocrolls.
El proceso es extraordinariamente eficiente. Casi el 100 por ciento de las hojas de grafeno están desplazadas. Después de la decoración con partículas de maghemita, el equipo de investigación no pudo encontrar ninguna hoja de grafeno abierta.
Es más, demostraron que al eliminar las nanopartículas de óxido de hierro mediante tratamiento con ácido, los nanocrolls se abren nuevamente y vuelven a las hojas de grafeno individuales.
"Además de aportar una valiosa comprensión fundamental de la física y la química del grafeno, dopaje con nitrógeno y nanopartículas tenemos razones para creer que los nanocrolls de grafeno dopados con nitrógeno decorados con óxido de hierro tienen muy buenas propiedades para su aplicación como electrodos en, por ejemplo, baterías de iones de litio, una de las baterías más importantes de la electrónica de la vida diaria, "dice Thomas Wågberg.
El estudio se ha realizado dentro del proyecto "La hoja artificial", financiado por la fundación Knut y Alice Wallenberg para el físico, farmacia, e investigadores en ciencias vegetales de la Universidad de Umeå.
