Los materiales más delgados que se pueden producir hoy tienen el grosor de un solo átomo. Estos materiales, conocidos como materiales bidimensionales, exhiben propiedades que son muy diferentes en comparación con sus contrapartes tridimensionales a granel. Hasta hace poco, Los materiales 2-D se produjeron y manipularon como películas sobre la superficie de algún sustrato 3-D adecuado. Trabajando en colaboración con un equipo del Instituto Leibniz de Nuevos Materiales, un grupo de físicos de la Universidad de Saarland, dirigido por el profesor Uwe Hartmann, ha logrado por primera vez caracterizar las propiedades mecánicas de las membranas de grafeno independientes de un solo átomo de espesor. Las mediciones se realizaron utilizando microscopía de túnel de barrido (STM). Los investigadores han publicado sus resultados en la revista especializada Nanoescala .

Los materiales bidimensionales solo se conocen desde hace unos años. En 2010, Los científicos André Geim y Konstantin Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física por su trabajo de investigación sobre el material grafeno, un alótropo bidimensional de carbono puro. Tras ese descubrimiento, Se produjeron y caracterizaron varios otros materiales 2-D hechos de silicio o germanio. "La característica especial de estos materiales es que tienen un solo átomo de espesor, son prácticamente toda la superficie, "explica el profesor Uwe Hartmann, físico experimental en la Universidad de Saarland. Como resultado, poseen propiedades físicas que son completamente diferentes a sus parientes tridimensionales más convencionales.

"Las propiedades electrónicas de algunas configuraciones de grafeno son espectaculares. Los electrones en el interior del material son relativistas, es decir, obedecen las leyes de la teoría de la relatividad, lo que ciertamente no es el caso de los electrones en materiales convencionales. Esto sugiere una serie de ventajas interesantes para los componentes electrónicos fabricados con materiales bidimensionales, "dice Hartmann. Las propiedades mecánicas de estos materiales 2-D también son únicas. Según Hartmann:" Algunas configuraciones de estos materiales bidimensionales exhiben un grado de estabilidad mecánica que es - en relación con el espesor del material - mucho mayor que que se ve en los materiales tridimensionales más estables ". Para aprovechar este potencial, la UE estableció su proyecto insignia de grafeno en 2013. Con un presupuesto de investigación de mil millones de euros, es hasta la fecha la iniciativa de investigación más grande de la UE.

Sin embargo, La información sobre las propiedades mecánicas de estos nuevos materiales se ha obtenido hasta ahora a partir de simulaciones. "Hasta ahora, Trabajar con materiales bidimensionales ha significado trabajar con películas ultrafinas sobre la superficie de un sustrato tridimensional adecuado. Como resultado, las propiedades del sistema general están inevitablemente determinadas por el material tridimensional, "explica Hartmann. Trabajando en colaboración con el Instituto Leibniz de Nuevos Materiales (INM), que también se encuentra en el campus de Saarbrücken, El equipo de investigación de Hartmann en el Departamento de Investigación de Nanoestructuras y Nanotecnología ha logrado por primera vez medir directamente las propiedades mecánicas de un autoportante, membrana de capa de un solo átomo del grafeno alótropo de carbono.

"Ahora estamos en condiciones de comparar directamente los datos de los cálculos del modelo con nuestros hallazgos experimentales. Además, ahora podemos medir cómo los diferentes defectos en la red cristalina de la membrana afectan sus propiedades mecánicas, "dice el profesor Hartmann. Estos materiales bidimensionales prometen importantes desarrollos innovadores en una variedad de sectores tecnológicos, desde sensores y actuadores hasta sistemas de filtros y pilas de combustible. Los resultados y métodos desarrollados por el equipo en Saarbrücken son, por tanto, de gran interés en numerosos campos de investigación.

Los científicos de Saarbrücken utilizaron una monocapa de grafeno que se apoyó en un sustrato con una serie regular de agujeros circulares. Hartmann explica la configuración de la siguiente manera:"Los orificios tenían un diámetro de aproximadamente un micrómetro. Utilizando un microscopio de efecto túnel (STM), pudimos analizar la membrana independiente sobre los orificios con precisión atómica".

"Cuando se aplica un voltaje eléctrico entre la punta del STM y la membrana de grafeno de un solo átomo de espesor, fluye una corriente eléctrica, "explica Hartmann. Esta corriente, que se conoce como la "corriente de túnel", es muy sensible a la distancia entre la punta del microscopio y la muestra de membrana y a la distribución de electrones en la película de grafeno. "Usamos este efecto para hacer visibles los átomos individuales. La corriente de túnel varía mientras la punta del STM se escanea sobre el material". Pero los investigadores también utilizan otro efecto. Cuando se aplica un voltaje entre la punta del STM y la muestra, una fuerza actúa sobre la membrana de grafeno independiente y comienza a abultarse hacia la punta. "A medida que se retira la propina, la monocapa atómicamente delgada sobresale aún más, ya que se levanta con unas pinzas atómicamente precisas. Al medir la deflexión de la membrana en función de la fuerza de tracción electrostática generada por el STM, se obtiene un diagrama de tensión-deformación que nos proporciona las propiedades mecánicas clave de la membrana de grafeno. "explica Hartmann.

"Al registrar estos diagramas experimentales de tensión-deformación, hemos podido comprobar directamente las extraordinarias propiedades mecánicas que se han presumido hasta ahora para estos materiales. Y pudimos hacer esto usando fuerzas del orden de una mil millonésima parte de un Newton - lejos, mucho más pequeño que cualquier fuerza utilizada en una medición mecánica convencional, "dice Hartmann. Los investigadores también pudieron demostrar que cuando se aplicaba una fuerza a una membrana autónoma de grafeno, la membrana no se comportaba como la suave piel de un timbal, sino que se parecía mucho más a la superficie ondulada de un lago. Las membranas exhiben una variedad de movimientos ondulantes y responden a cualquier perturbación externa generando nuevas ondas en la superficie de la membrana ".