Lejos de ser un defecto, un hilo sinuoso de anillos extraños en el borde de dos hojas de grafeno tiene cualidades que pueden resultar valiosas para los fabricantes, según los científicos de la Universidad de Rice.

Grafeno la forma de carbono de un átomo de espesor, rara vez aparece como una celosía perfecta de anillos de seis átomos en forma de alambre de gallinero. Cuando se cultiva a través de la deposición de vapor químico, por lo general, consta de "dominios, "o hojas cultivadas por separado que florecen hacia afuera a partir de catalizadores calientes hasta que se encuentran.

Donde se encuentran las filas regulares de átomos no están necesariamente alineadas, por lo que tienen que ajustarse si van a formar un plano de grafeno continuo. Ese ajuste aparece como un límite de grano, con filas irregulares de anillos de cinco y siete átomos que compensan la disparidad angular.

El laboratorio de Rice del físico teórico Boris Yakobson había calculado que los anillos con siete átomos de carbono pueden ser puntos débiles que disminuyen la fuerza legendaria del grafeno. Pero una nueva investigación en Rice muestra que los límites serpenteantes de granos pueden, en algunos casos, endurecer lo que se conoce como láminas policristalinas, casi igualando la fuerza del grafeno prístino.

Convenientemente, también pueden crear una "brecha considerable en el transporte electrónico, "o banda prohibida, según el papel. El grafeno perfecto permite el transporte balístico de electricidad, pero la electrónica requiere materiales que puedan detener e iniciar el flujo de manera controlable. Estos se conocen como semiconductores, y la capacidad de controlar las características semiconductoras en el grafeno (y otros materiales bidimensionales) es un objetivo muy buscado.

En el nuevo trabajo que aparece en Materiales funcionales avanzados , Yakobson y su equipo dirigido por el investigador postdoctoral Zhuhua Zhang determinaron que en ciertos ángulos, estos límites "sinuosos" alivian la tensión que de otro modo debilitaría la hoja.

"Si se aliviara el estrés a lo largo del límite, la fuerza del grafeno aumentaría, ", Dijo Zhang." Pero esto solo se aplica a los límites de grano sinuosos en comparación con los límites rectos ".

Yakobson y su equipo calculan la resistencia mecánica de los límites de grano para determinar cómo se influyen entre sí:dónde los límites tienden a unirse y dónde es probable que se rompan bajo tensión de tracción. Los límites de grano podrían minimizar la energía de interfaz entre las hojas formando pares de anillos llamados dislocaciones, donde un átomo se desplaza de un anillo de seis miembros a su vecino para formar unidades conectadas de cinco y siete átomos.

A veces, los ángulos de los dominios dictan límites sinuosos en lugar de rectos. Zhang y sus coautores simularon estos límites sinuosos para medir su resistencia a la tracción y sus propiedades de banda prohibida. Determinó que cuando estas pequeñas secciones son periódicas, es decir, cuando sus patrones se repiten a lo largo del límite, sus cualidades se aplican a toda la hoja policristalina.

Notablemente, Una de sus simulaciones de límites de granos sinuosos energéticamente "preferidos" fue una coincidencia casi perfecta para el límite asimétrico que vio en un artículo de 2011 en la revista Nature. La imagen de microscopía electrónica de transmisión de barrido mostró una estructura de límite de grano atómico con una disposición muy similar de dislocaciones. Solo un par de anillos de los cien a la vista estaba fuera de lugar, probablemente debido a una distorsión causada por la irradiación del haz de electrones del microscopio, Dijo Zhang.

Para aprovechar las predicciones del laboratorio de Rice, los científicos tendrían que descubrir cómo cultivar grafeno policristalino con una desalineación precisa de los componentes. Esta es una tarea difícil, Dijo Yakobson.

"Pero esto, hasta ahora, hipotéticamente, se puede lograr si el grafeno se nuclea en el sustrato de metal policristalino con orientaciones de grano prescritas para que las islas de carbono emergentes hereden la desalineación de la plantilla debajo, "Dijo Yakobson.