Una nueva investigación realizada por ingenieros de la Universidad de Illinois combina la experimentación a escala atómica con el modelado por computadora para determinar cuánta energía se necesita para doblar el grafeno multicapa, una pregunta que ha eludido a los científicos desde que se aisló el grafeno por primera vez. Los hallazgos se informan en la revista. Materiales de la naturaleza .

El grafeno, una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red, es el material más fuerte del mundo y tan delgado que es flexible. dijeron los investigadores. Se considera uno de los ingredientes clave de las tecnologías futuras.

La mayor parte de la investigación actual sobre el grafeno se centra en el desarrollo de dispositivos electrónicos a nanoescala. Todavía, Los investigadores dicen que muchas tecnologías, desde la electrónica extensible hasta pequeños robots tan pequeños que no se pueden ver a simple vista, requieren una comprensión de la mecánica del grafeno. particularmente cómo se flexiona y se dobla, para desbloquear su potencial.

"La rigidez a la flexión de un material es una de sus propiedades mecánicas más fundamentales, "dijo Edmund Han, estudiante de posgrado en ciencias de los materiales e ingeniería y coautor del estudio. "Aunque hemos estado estudiando el grafeno durante dos décadas, todavía tenemos que resolver esta propiedad fundamental. La razón es que diferentes grupos de investigación han encontrado diferentes respuestas que abarcan órdenes de magnitud ".

El equipo descubrió por qué los esfuerzos de investigación anteriores no estaban de acuerdo. "Estaban doblando el material un poco o mucho, "dijo Jaehyung Yu, estudiante de posgrado en ciencias mecánicas e ingeniería y coautor del estudio. "Pero descubrimos que el grafeno se comporta de manera diferente en estas dos situaciones. Cuando se dobla un poco el grafeno multicapa, actúa más como una placa rígida o un trozo de madera. Cuando lo doblas mucho actúa como una pila de papeles donde las capas atómicas pueden deslizarse unas sobre otras ".

"Lo emocionante de este trabajo es que muestra que, aunque todos no estuvieron de acuerdo, en realidad estaban todos en lo correcto, "dijo Arend van der Zande, profesor de ciencias mecánicas e ingeniería y coautor del estudio. "Cada grupo estaba midiendo algo diferente. Lo que hemos descubierto es un modelo para explicar todo el desacuerdo mostrando cómo se relacionan todos juntos a través de diferentes grados de flexión".

Para hacer el grafeno doblado, Yu fabricó capas atómicas individuales de nitruro de boro hexagonal, otro material 2-D, en pasos de escala atómica, luego estampó el grafeno en la parte superior. Usando un haz de iones enfocado, Han cortó una rodaja de material y tomó imágenes de la estructura atómica con un microscopio electrónico para ver dónde se encontraba cada capa de grafeno.

Luego, el equipo desarrolló un conjunto de ecuaciones y simulaciones para calcular la rigidez a la flexión utilizando la forma de la curva de grafeno.

Al colocar varias capas de grafeno en un escalón de entre uno y cinco átomos de altura, los investigadores crearon una forma controlada y precisa de medir cómo el material se doblaría sobre el escalón en diferentes configuraciones.

"En esta estructura simple, Hay dos tipos de fuerzas involucradas en doblar el grafeno, "dijo Pinshane Huang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y coautor del estudio. "Adhesión, o la atracción de átomos a la superficie, intenta tirar del material hacia abajo. Cuanto más rígido sea el material, cuanto más intentará volver a aparecer, resistiendo el tirón de la adhesión. La forma que toma el grafeno sobre los pasos atómicos codifica toda la información sobre la rigidez del material ".

El estudio controló sistemáticamente exactamente cuánto se doblaba el material y cómo cambiaban las propiedades del grafeno.

"Debido a que estudiamos el grafeno doblado en diferentes cantidades, pudimos ver la transición de un régimen a otro, de rígido a flexible y de placa a hoja, "dijo el profesor de ingeniería y ciencias mecánicas Elif Ertekin, quien dirigió la parte de la investigación de modelado por computadora. "Construimos modelos a escala atómica para mostrar que la razón por la que esto podría suceder es que las capas individuales pueden deslizarse unas sobre otras. Una vez que tuvimos esta idea, pudimos usar el microscopio electrónico para confirmar el deslizamiento entre las capas individuales ".

Los nuevos resultados tienen implicaciones para la creación de máquinas que son lo suficientemente pequeñas y flexibles para interactuar con células o material biológico. dijeron los investigadores.

"Las células pueden cambiar de forma y responder a su entorno, y si queremos movernos en la dirección de microrobots o sistemas que tengan las capacidades de los sistemas biológicos, necesitamos tener sistemas electrónicos que puedan cambiar sus formas y ser muy suaves también, ", dijo van der Zande." Aprovechando el deslizamiento entre capas, hemos demostrado que el grafeno puede ser varios órdenes de magnitud más blando que los materiales convencionales del mismo grosor ".