En medio del frenesí de la investigación mundial sobre materiales atómicamente delgados como el grafeno, hay un área que ha eludido cualquier análisis sistemático, aunque esta información podría ser crucial para una gran cantidad de aplicaciones potenciales, incluida la desalación, Secuencia ADN, y dispositivos para sistemas de computación y comunicaciones cuánticas.

Esa información faltante tiene que ver con el tipo de defectos minúsculos, o "agujeros, "que se forman en estas láminas 2-D cuando faltan algunos átomos en la red cristalina del material.

Ahora que los investigadores del MIT han resuelto ese problema, que han elaborado un catálogo de los tamaños y formas exactos de los agujeros que probablemente se observarían (a diferencia de los muchos más que son teóricamente posibles) cuando se elimine un número determinado de átomos de la red atómica. Los resultados se describen en la revista Materiales de la naturaleza en un artículo del estudiante de posgrado Ananth Govind Rajan, profesores de ingeniería química Daniel Blankschtein y Michael Strano, y otros cuatro en el MIT, Espacio Lockheed Martin, y la Universidad de Oxford.

"Ha sido un problema de larga data en el campo del grafeno, lo que llamamos el problema de catalogación de isómeros para nanoporos, ", Dice Strano. Para aquellos que quieran usar grafeno o dos dimensiones similares, materiales en forma de hoja para aplicaciones que incluyen separación química o filtración, él dice, "solo necesitamos comprender los tipos de defectos atómicos que pueden ocurrir, "en comparación con el número mucho mayor que nunca se ve.

Por ejemplo, Blankschtein señala, al eliminar solo ocho átomos de carbono contiguos de la matriz hexagonal de átomos en forma de alambre de gallina en el grafeno, Hay 66 formas posibles diferentes que podría tener el agujero resultante. Cuando el número de átomos extraídos aumenta a 12, el número de formas posibles salta a 3, 226, y con 30 átomos eliminados, hay 400 mil millones de posibilidades, un número mucho más allá de cualquier posibilidad razonable de simulación y análisis. Sin embargo, solo un puñado de estas formas se encuentran realmente en experimentos, por lo que la capacidad de predecir cuáles ocurren realmente podría ser de gran utilidad para los investigadores.

Describiendo la falta de información sobre qué tipos de agujeros se pueden formar realmente, Strano dice, "¿Qué hizo eso, hablando practicamente, ¿Se hizo una desconexión entre lo que se podía simular con una computadora y lo que se podía medir en el laboratorio? ". Este nuevo catálogo de las formas que son realmente posibles hará que la búsqueda de materiales para usos específicos sea mucho más manejable, él dice.

La capacidad de realizar el análisis se basó en una serie de herramientas que simplemente no estaban disponibles anteriormente. "No podrías haber resuelto este problema hace 10 años, "Dice Strano. Pero ahora, con el uso de herramientas que incluyen la teoría de grafos químicos, cálculos precisos de la estructura electrónica, y microscopía electrónica de transmisión de barrido de alta resolución, los investigadores han capturado imágenes de los defectos que muestran las posiciones exactas de los átomos individuales.

El equipo llama a estos agujeros en la red "antimoléculas" y los describe en términos de la forma que formarían los átomos que se han eliminado. Este enfoque proporciona, por primera vez, un marco simple y coherente para describir el conjunto completo de estas formas complejas. Previamente, "si estuvieras hablando de estos poros en el material, no había forma de identificar "el tipo específico de agujero involucrado, Dice Govind Rajan. "Una vez que las personas comienzan a crear estos poros con más frecuencia, sería bueno tener una convención de nomenclatura "para identificarlos, él añade.

Este nuevo catálogo podría ayudar a abrir una variedad de aplicaciones potenciales. "Los defectos son buenos y malos, "Explica Strano." A veces quieres evitarlos, "porque debilitan el material, pero "otras veces desea crearlos y controlar sus tamaños y formas, "por ejemplo para filtración, procesamiento químico, o secuenciación de ADN, donde solo ciertas moléculas específicas pueden pasar a través de estos agujeros. Otra aplicación podría ser la computación cuántica o los dispositivos de comunicaciones donde se sintonizan agujeros de un tamaño y forma específicos para emitir fotones de luz de colores y niveles de energía específicos.

Además de su impacto en las propiedades mecánicas de un material, los agujeros afectan la electrónica, magnético, y características ópticas también, Dice Govind Rajan.

"Creemos que este trabajo constituirá una valiosa herramienta" para la investigación de defectos en materiales 2-D, Strano predice, because it will allow researchers to home in on promising types of defects instead of having to sort through countless theoretically possible shapes "that you don't care about at all, because they are so improbable they'll never form."