Investigadores de Penn State, El Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y Lockheed Martin Space Systems Company han desarrollado métodos para controlar defectos en materiales bidimensionales. como el grafeno, que puede conducir a membranas mejoradas para la desalinización de agua, almacen de energia, recubrimientos protectores avanzados o sensoriales.

Para un bidimensional, material de un átomo de espesor como el grafeno, los defectos como pequeñas grietas o agujeros pueden marcar una gran diferencia en el rendimiento. Generalmente, estos defectos se consideran indeseables. Pero si los defectos se pueden controlar, se pueden utilizar para diseñar nuevos propiedades deseables en el material.

"Siempre que puedas controlar los defectos, es posible que pueda sintetizar en cualquier respuesta que le dé el grafeno, "dice Adri van Duin, autor correspondiente en un artículo reciente en la revista de la American Chemical Society ACS Nano . "Pero eso requiere que tenga muy buen control sobre la estructura del defecto y el comportamiento del defecto. Lo que hemos hecho aquí es un paso bastante fuerte hacia eso".

van Duin es el co-inventor y desarrollador principal de una técnica de simulación y modelado matemático llamada ReaxFF, que es capaz de predecir las interacciones de miles de átomos cuando son perturbados por una fuerza externa, en este caso el bombardeo de grafeno por átomos de un gas noble.

Los gases nobles, que incluyen helio, neón, argón, criptón y xenón, se utilizan con frecuencia para crear defectos en el grafeno con el fin de mejorar sus propiedades. Al eliminar uno o más átomos de carbono de los hexágonos entrelazados del grafeno, una estructura que recuerda a la tela metálica, el agujero resultante puede llenarse con átomos de otro material o molécula en un proceso llamado dopaje. El dopaje puede cambiar las propiedades químicas o eléctricas del grafeno, para, por ejemplo, Permitir que las moléculas de agua fluyan mientras rechazan las partículas de sal.

"Hemos realizado una serie de simulaciones a escala atomística en las que aceleramos los iones de gases nobles en el grafeno. Las simulaciones dieron prácticamente los mismos patrones de defectos que los experimentos, ", dice van Duin. Eso significa que nuestras simulaciones pueden decirle al experimentalista qué dosis de átomos y qué aceleración necesitan para obtener ese tipo de defectos".

Debido a que los defectos pueden adoptar diferentes formas o moverse en los segundos posteriores a la creación, su grupo también simula poner el grafeno en un horno y calentarlo a alta temperatura, llamado recocido, para estabilizar la estructura.

Es inusual que una simulación atomística corresponda al mismo tamaño, tiempo y rango de exposición como un experimento, debido al gasto computacional de hacer interacciones entre miles de átomos en la escala de tiempo requerida para estabilizar un material, dice van Duin. El método del campo de fuerza reactiva (ReaxFF), desarrollado por van Duin y William A. Goddard de CalTech, es capaz de modelar interacciones químicas y físicas en moléculas y materiales a medida que se forman y rompen enlaces entre átomos.

Kichul Yoon, el autor principal del artículo y un estudiante de posgrado en el grupo de van Duin, dice, "Este estudio proporciona información sobre los detalles a escala atomística de la irradiación de grafeno y es un paso preliminar en el diseño de materiales de carbono funcionalizados en dos dimensiones".

van Duin agrega, "Claramente, no hay nada que haga que esto sea exclusivo del grafeno. Cualquier material 2D puede tratarse con las mismas simulaciones. Cualquiera que quiera dopar un material 2D o comprender los defectos estará interesado en estas simulaciones".

Los investigadores tienen la intención de continuar trabajando con Lockheed Martin en aplicaciones aeroespaciales y también perseguirán el objetivo de la desalinización de agua a base de grafeno. Jacob Swett de Lockheed Martin preparó las muestras utilizadas en los experimentos y fue crucial para hacer avanzar el proyecto.

Para correlacionar simulaciones con experimentos, los investigadores confiaron en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos (CNMS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, para crear defectos usando bombardeo de iones y posteriormente caracterizar esos defectos usando imágenes de resolución atómica. "En CNMS, contamos con instrumentos de microscopía electrónica de transmisión de barrido con corrección de aberración y rayos de iones de helio y neón de última generación que permiten la caracterización a escala atomística, "dice Raymond Unocic, un científico del personal de I + D en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.