Un equipo internacional de científicos ha desarrollado una nueva forma de producir grafeno de capa única a partir de un precursor simple:el eteno, también conocido como etileno, la molécula de alqueno más pequeña. que contiene solo dos átomos de carbono.

Al calentar el eteno en etapas a una temperatura de un poco más de 700 grados Celsius, más caliente de lo que se había intentado antes, los investigadores produjeron capas puras de grafeno sobre un sustrato de catalizador de rodio. El calentamiento gradual y la temperatura más alta superaron los desafíos vistos en esfuerzos anteriores para producir grafeno directamente a partir de precursores de hidrocarburos.

Debido a su menor costo y simplicidad, la técnica podría abrir nuevas aplicaciones potenciales para el grafeno, que tiene atractivas propiedades físicas y electrónicas. El trabajo también proporciona un mecanismo novedoso para la autoevolución de precursores de racimos de carbono cuya coalescencia difusional da como resultado la formación de capas de grafeno.

La investigación, reportado como el artículo de portada en la edición del 4 de mayo de la Revista de química física C , fue realizado por científicos del Instituto de Tecnología de Georgia, Technische Universität München en Alemania, y la Universidad de St. Andrews en Escocia. En los Estados Unidos, la investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. y la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU.

"Dado que el grafeno está hecho de carbono, decidimos comenzar con el tipo más simple de moléculas de carbono y ver si podíamos ensamblarlas en grafeno, "explicó Uzi Landman, un profesor de Regents y presidente de F.E. Callaway en la Escuela de Física de Georgia Tech que dirigió el componente teórico de la investigación. "A partir de pequeñas moléculas que contienen carbono, terminas con piezas macroscópicas de grafeno ".

El grafeno ahora se produce utilizando una variedad de métodos que incluyen la deposición de vapor químico, evaporación de silicio a partir de carburo de silicio - y simple exfoliación de láminas de grafeno de grafito. Varios esfuerzos anteriores para producir grafeno a partir de precursores de hidrocarburos simples habían resultado en gran parte infructuosos. creando hollín desordenado en lugar de grafeno estructurado.

Guiado por un enfoque teórico, los investigadores razonaron que el camino del eteno al grafeno implicaría la formación de una serie de estructuras a medida que los átomos de hidrógeno dejan las moléculas de eteno y los átomos de carbono se autoensamblan en el patrón de panal que caracteriza al grafeno. Para explorar la naturaleza de las transformaciones catalizadas por superficie de rodio inducidas térmicamente de eteno a grafeno, grupos experimentales en Alemania y Escocia elevaron la temperatura del material en pasos bajo vacío ultra alto. Utilizaron microscopía de túnel de barrido (STM), espectroscopía de desorción térmica programada (TPD) y de pérdida de energía de electrones de alta resolución (vibracional) (HREELS) para observar y caracterizar las estructuras que se forman en cada paso del proceso.

Al calentar, El eteno adsorbido en el catalizador de rodio evoluciona mediante reacciones de acoplamiento para formar hidrocarburos poliaromáticos unidimensionales segmentados (1D-PAH). El calentamiento adicional conduce a un cruce de dimensionalidad (estructuras unidimensionales a bidimensionales) y procesos de reestructuración dinámica en los extremos de la cadena de PAH con un desprendimiento posterior activado de grupos de carbono selectivos por tamaño, siguiendo un mecanismo revelado a través de simulaciones de la mecánica cuántica de primeros principios. Finalmente, La coalescencia difusional que limita la velocidad de estos precursores de racimo autoevolucionados dinámicamente conduce a la condensación en grafeno de alta pureza.

En la etapa final antes de la formación del grafeno, los investigadores observaron cúmulos casi redondos en forma de disco que contienen 24 átomos de carbono, que se extienden para formar la red de grafeno. "La temperatura debe elevarse dentro de las ventanas de los rangos de temperatura para permitir que se formen las estructuras necesarias antes de la siguiente etapa de calentamiento, ", Explicó Landman." Si te detienes a ciertas temperaturas, es probable que acabe con coquización ".

Un componente importante es el proceso de deshidrogenación que libera los átomos de carbono para formar formas intermedias, pero parte del hidrógeno reside temporalmente en, o cerca, la superficie del catalizador de metal y ayuda en el posterior proceso de ruptura de enlaces que conduce al desprendimiento de los precursores de racimo de 24 carbonos. "A lo largo del camino, hay una pérdida de hidrógeno de los cúmulos, ", dijo Landman." Subir la temperatura esencialmente 'hierve' el hidrógeno de la estructura de carbono en evolución soportada por metal, culminando en el grafeno ".

La estructura de grafeno resultante se adsorbe sobre el catalizador. Puede ser útil pegado al metal, pero para otras aplicaciones, se tendrá que desarrollar una forma de eliminarlo. Landman agregó:"Esta es una nueva ruta hacia el grafeno, y la posible aplicación tecnológica aún no se ha explorado ".