Un grupo de científicos incluyendo especialistas del Instituto Landau de Física Teórica (ITF), ha descrito una característica universal en la que se "ocultan" muchas propiedades únicas del grafeno. El comportamiento anormal del grafeno se puede caracterizar completamente por la relación de Poisson, que determina la capacidad de un material para contraerse o extenderse en una dimensión transversal. Es más, Los científicos encontraron factores clave que pueden influir en esta característica. Los resultados se publican en Revisión física B .

El grafeno es una hoja bidimensional que consta de una capa de átomos de carbono. Una de las cosas más interesantes sobre el grafeno es la relación entre sus propiedades elásticas y eléctricas únicas. Por ejemplo, el grafeno muestra una movilidad extremadamente alta de cargas eléctricas, que puede cambiar drásticamente bajo tensión elástica. Los físicos intentaron encontrar una característica física universal que reflejara plenamente este comportamiento inusual. Esto permitiría utilizar el grafeno de forma más eficaz, así como crear nuevos materiales con las propiedades exóticas requeridas. Sin embargo, hasta hace poco, los investigadores no pudieron encontrar ningún parámetro de este tipo.

La clave para entender esta pregunta radica en el comportamiento inusual del grafeno bajo estiramiento. Los materiales más comunes se encogen en dirección transversal mientras se estiran:una banda de goma es un ejemplo típico. Sin embargo, hace unos cien años, el físico alemán Voldemar Voight descubrió que los cristales de pirita, de lo contrario, extender bajo estiramiento. Dichos materiales se llamaron auxéticos, ya finales de la década de 1970 los científicos obtuvieron el primer auxético artificial. El secreto de estos materiales proviene de su geometría inusual. Aunque en un estado relajado los elementos estructurales auxéticos se pliegan, cuando se aplica estiramiento, se despliegan y aumentan de tamaño.

Las auxiliares tienen una serie de características inusuales que ayudarán a mejorar las tecnologías existentes y crear nuevas. "Los materiales convencionales se expanden cuando se calientan y esto deteriora sus propiedades originales a través de diversas tensiones mecánicas y perturbaciones. Los auxiliares pueden, de lo contrario, encogerse. Entonces, existe una idea para crear materiales combinados con una relación de expansión cero utilizando auxética. A medida que sube la temperatura, el compuesto convencional de tales materiales tenderá a expandirse, pero el compuesto auxético compensará esto, "comenta Valentin Kachorovskii, investigador destacado del Instituto Ioffe y de la ITF.

La característica que determina la capacidad del material para contraerse o extenderse en dimensión transversal bajo tensión se llama relación de Poisson. En auxética es negativo, en materiales ordinarios:positivo. "Los científicos estuvieron interesados ​​durante mucho tiempo en la relación de Poisson del grafeno, ", dice Kachorovskii." Durante mucho tiempo pensamos que era igual al valor negativo universal - ?. Sin embargo, Varios cálculos numéricos recientes mostraron que la relación de Poisson del grafeno podría ser tanto positiva como negativa. A primera vista, los resultados de varios cálculos se contradicen completamente ".

La verificación experimental directa de este parámetro es difícil. El grafeno es difícil de obtener de forma aislada:generalmente se "cultiva" en varios sustratos, y sus características enmascaran el verdadero valor de la relación de Poisson del grafeno. Qué es más, Las muestras de grafeno aislado son tan pequeñas que es prácticamente imposible colocar brackets para un estiramiento controlado. Al mismo tiempo, Los investigadores e ingenieros que desarrollan nuevas tecnologías basadas en carbono necesitan saber exactamente si el grafeno es auxético o no.

Los autores del nuevo trabajo lograron "reconciliar" resultados contradictorios de cálculos anteriores y encontrar parámetros que determinan exactamente la proporción de Poisson del grafeno. Los físicos descubrieron que es un valor variable que depende de la fuerza de tracción aplicada. "Con una fuerza muy grande, el grafeno se comporta como un material normal, demostrando una relación de Poisson positiva. Sin embargo, cuando la fuerza aplicada disminuye, nos encontramos en un área donde el grafeno exhibe propiedades típicamente auxéticas, "señala Kachorovskii.

Los científicos explicaron este vínculo inusual entre la proporción de Poisson y el estiramiento. En imágenes populares, el grafeno se muestra como una hoja bidimensional de átomos de carbono, generalmente plano. Sin embargo, en realidad, las llamadas ondas de flexión corren a lo largo de esta "hoja". Tienden a convertir el grafeno de un estado plano a un estado arrugado. "A esto se le llama transición arrugada, "Explica Kachorovskii." Durante mucho tiempo la teoría de las membranas predijo que debido a este fenómeno, los cristales bidimensionales como el grafeno no podrían existir en principio. Siempre se esforzarían por encogerse hasta convertirse en una bola. Como podemos ver, esta suposición fue un error, ya que a lo largo de la superficie del grafeno, las ondas de compresión-extensión ordinarias corren junto con las de flexión. La interacción no lineal entre dos tipos de ondas no permite que la membrana se contraiga y se convierta en una bola. Aunque, la dimensión de tales cristales en realidad no es igual a dos. Debido a la transición arrugada, está en un estado intermedio entre dos y tres dimensiones ".

La membrana que se esfuerza por curvarse debido a las ondas ordinarias de compresión-extensión compite con el efecto de suavizar las ondas transversales debido a una fuerza externa aplicada. Esto da como resultado un signo cambiante de la relación de Poisson. En otras palabras, si la fuerza externa es alta, las propiedades auxéticas anormales se suprimen y la relación de Poisson es positiva. Como demostraron los científicos, las propiedades inusuales del grafeno se basan en ese estado de reposo ligeramente arrugado. "En los pliegues de ondas de flexión transversales se almacena energía adicional, lo que explica la elasticidad anormal del grafeno y otras propiedades inusuales. Por ejemplo, cuando el grafeno calentado comienza a encogerse en la dirección longitudinal, ya que toda la extensión va a pliegues transversales, ", dice Kachorovskii." Y la característica universal que determina exactamente el comportamiento del grafeno es la relación de Poisson. Con su ayuda se puede describir y predecir una gran cantidad de propiedades del grafeno y otros materiales ".

Qué es más, El trabajo actual contiene una explicación de por qué estudios previos de la relación de Poisson del grafeno tuvieron resultados contradictorios. "Derivamos un sistema analíticamente completo de ecuaciones para el equilibrio elástico de la hoja de grafeno. Resulta que hay dos modos de comportamiento para la membrana de grafeno. En el habitual, todas las propiedades del grafeno están determinadas por fórmulas estándar y la relación de Poisson es positiva. Al mismo tiempo, para muestras superiores a la denominada longitud de Ginzburg, se realiza un régimen de elasticidad anormal, conduciendo a una relación de Poisson negativa, "añade Kachorovskii. Para el grafeno, La longitud de Ginzburg varía de 40 a 70 angstroms. El tamaño de las muestras utilizadas en la práctica es ciertamente mayor, por lo tanto, es posible ver el comportamiento auxético más inusual.

La explicación de este fenómeno también está relacionada con ondas de diferentes tipos, que interactúan entre sí de una manera muy complicada. "La longitud de Ginzburg caracteriza la escala en la que estas interacciones ya no se pueden descuidar cuando comienzan a cambiar de forma anormal el material. Por ejemplo, tal interacción a gran escala no permite que los cristales bidimensionales se encojan en una bola, "explica Kachorovskii. Diferentes sustancias tienen diferentes longitudes de Ginzburg y conocerlas es extremadamente importante para el desarrollo de nuevos materiales". A menudo, las personas crean nuevos materiales sin calcular la longitud de Ginzburg y luego tratan de encontrar algo inusual en sus propiedades. Pero nuestro trabajo muestra que si la longitud de Ginzburg es tan grande como 1 kilómetro, por ejemplo, Las muestras de tamaño regular no mostrarán propiedades especiales. "Notas de Kachorovskii.

El hecho de que el grafeno pueda estirarse de forma normal o anormal dependiendo de la fuerza aplicada en perspectiva ayudará a crear sensores de sonido hipersensibles. por ejemplo. "Las ondas sonoras estiran la membrana de grafeno, y dependiendo del grado de estiramiento, el grafeno cambia notablemente la resistencia eléctrica. Los cálculos muestran que la sensibilidad de dicho detector puede ser gigantesca. Además, en auxética la velocidad del sonido es notablemente más alta que en materiales "normales". El valor de otras constantes elásticas, por ejemplo, el módulo de Young sigue siendo el mismo. Por lo tanto, cuando el grafeno se estira al estado auxético, el sonido se propaga muy rápidamente. Esto nos permite crear sensores ultrarrápidos que pueden detectar un cambio muy rápido de oscilaciones, "dice Kachorovskii.