El desarrollo de materiales novedosos desde los átomos hacia arriba es más rápido cuando se elimina parte del ensayo y error. Un nuevo estudio de la Universidad de Rice y el Politécnico de Montreal tiene como objetivo hacer eso para los híbridos de grafeno y nitruro de boro.

El científico de materiales de arroz Rouzbeh Shahsavari y Farzaneh Shayeganfar, investigador postdoctoral en el Politécnico de Montreal, diseñó simulaciones por computadora que combinan grafeno, la forma de carbono de un átomo de espesor, con nanotubos de nitruro de carbono o de boro.

Su esperanza es que estos híbridos puedan aprovechar los mejores aspectos de los materiales que los componen. Definir las propiedades de varias combinaciones simplificaría el desarrollo para los fabricantes que deseen utilizar estos materiales exóticos en la electrónica de próxima generación. Los investigadores encontraron propiedades no solo electrónicas sino también magnéticas que podrían ser útiles.

Sus resultados aparecen en la revista Carbón .

El laboratorio de Shahsavari estudia los materiales para ver cómo se pueden hacer más eficientes, funcional y respetuoso con el medio ambiente. Incluyen materiales a macroescala como cemento y cerámica, así como híbridos a nanoescala con propiedades únicas.

"Ya sea a macro o microescala, si podemos saber específicamente qué hará un híbrido antes de que alguien se tome la molestia de fabricarlo, podemos ahorrar costos y tiempo y quizás habilitar nuevas propiedades que no son posibles con ninguno de los componentes, "Dijo Shahsavari.

Los modelos informáticos de su laboratorio simulan cómo las energías intrínsecas de los átomos se influyen entre sí a medida que se unen para formar moléculas. Para el nuevo trabajo, los investigadores modelaron estructuras híbridas de grafeno y nanotubos de carbono y de grafeno y nanotubos de nitruro de boro.

"Queríamos investigar y comparar las propiedades electrónicas y potencialmente magnéticas de diferentes configuraciones de unión, incluida su estabilidad, intervalos de banda electrónica y transferencia de carga, ", dijo." Luego diseñamos tres nanoestructuras diferentes con diferente geometría de unión ".

Dos eran híbridos con capas de grafeno unidas a la perfección a nanotubos de carbono. El otro era similar pero, por primera vez, modelaron un híbrido con nanotubos de nitruro de boro. La forma en que se fusionaron las láminas y los tubos determinó las propiedades del híbrido. También construyeron versiones con nanotubos intercalados entre capas de grafeno.

El grafeno es un conductor perfecto cuando sus átomos se alinean como anillos hexagonales, pero el material se deforma cuando se deforma para acomodar nanotubos en híbridos. Los átomos equilibran sus energías en estas uniones formando cinco, anillos de siete u ocho miembros. Todos estos inducen cambios en la forma en que la electricidad fluye a través de las uniones, convirtiendo el material híbrido en un valioso semiconductor.

Los cálculos de los investigadores les permitieron trazar una serie de efectos. Por ejemplo, Resultó que las uniones del sistema híbrido crean campos pseudomagnéticos.

"El campo pseudomagnético debido a la tensión se informó anteriormente para el grafeno, pero no estas nanoestructuras híbridas de nitruro de boro y carbono donde la tensión es inherente al sistema, Shahsavari dijo. Señaló que el efecto puede ser útil en aplicaciones espintrónicas y nano-transistores.

"El campo pseudomagnético hace que los portadores de carga en el híbrido circulen como si estuvieran bajo la influencia de un campo magnético externo aplicado, ", dijo." Por lo tanto, en vista de la excepcional flexibilidad, resistencia y conductividad térmica de los sistemas híbridos de carbono y nitruro de boro, proponemos que el campo pseudomagnético puede ser una forma viable de controlar la estructura electrónica de nuevos materiales ".

Todos los efectos sirven como hoja de ruta para aplicaciones de nanoingeniería, Dijo Shahsavari.

"Estamos sentando las bases para una variedad de arquitecturas híbridas ajustables, especialmente para el nitruro de boro, que es tan prometedor como el grafeno pero mucho menos explorado, ", dijo." Los científicos han estado estudiando estructuras totalmente de carbono durante años, pero el desarrollo del nitruro de boro y otros materiales bidimensionales y sus diversas combinaciones entre sí nos brinda un rico conjunto de posibilidades para el diseño de materiales con propiedades nunca antes vistas ".

Shahsavari es profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y de ciencia de materiales y nanoingeniería.