Un equipo de investigadores de la Universidad de Rice trazó un mapa de cómo se mueven las partículas de materiales 2D en un líquido, conocimiento que podría ayudar a los científicos a ensamblar materiales a escala macroscópica con las mismas propiedades útiles que sus homólogos 2D.
"Los nanomateriales bidimensionales son materiales extremadamente delgados, de sólo varios átomos de espesor, en forma de lámina", dijo Utana Umezaki, estudiante de posgrado de Rice y autor principal de un estudio publicado en ACS Nano. . "Se comportan de manera muy diferente a los materiales a los que estamos acostumbrados en la vida diaria y pueden tener propiedades realmente útiles:pueden soportar mucha fuerza, resistir altas temperaturas, etc. Para aprovechar estas propiedades únicas, tenemos que encontrar maneras convertirlos en materiales de mayor escala como películas y fibras."
Para mantener sus propiedades especiales a granel, las láminas de materiales 2D deben alinearse adecuadamente, un proceso que a menudo ocurre en la fase de solución. Los investigadores de Rice se centraron en el grafeno, que está formado por átomos de carbono, y en el nitruro de boro hexagonal, un material con una estructura similar al grafeno pero compuesto por átomos de boro y nitrógeno.
"Estábamos particularmente interesados en el nitruro de boro hexagonal, que a veces se llama 'grafeno blanco' y que, a diferencia del grafeno, no conduce la electricidad pero tiene una alta resistencia a la tracción y es químicamente resistente", dijo Ángel Martí, profesor de química y bioingeniería. , ciencia de materiales y nanoingeniería y presidente del departamento de química de Rice. "Una de las cosas de las que nos dimos cuenta es que la difusión del nitruro de boro hexagonal en solución no se entendía muy bien.
"De hecho, cuando consultamos la literatura, descubrimos que lo mismo ocurría con el grafeno. No pudimos encontrar una explicación de la dinámica de difusión a nivel de molécula única para estos materiales, que es lo que nos motivó a abordar este problema".
Los investigadores utilizaron un tensioactivo fluorescente, es decir, un jabón incandescente, para marcar las muestras de nanomateriales y hacer visible su movimiento. Los vídeos de este movimiento permitieron a los investigadores trazar las trayectorias de las muestras y determinar la relación entre su tamaño y cómo se mueven.
"A partir de nuestra observación, encontramos una tendencia interesante entre la velocidad de su movimiento y su tamaño", dijo Umezaki. "Podríamos expresar la tendencia con una ecuación relativamente simple, lo que significa que podemos predecir el movimiento matemáticamente."
Se descubrió que el grafeno se mueve más lentamente en la solución líquida, posiblemente debido a que sus capas son más delgadas y flexibles que el nitruro de boro hexagonal, lo que genera una mayor fricción. Los investigadores creen que la fórmula derivada del experimento podría usarse para describir cómo se mueven otros materiales 2D en contextos similares.
"Entender cómo funciona la difusión en un ambiente confinado para estos materiales es importante porque, si queremos fabricar fibras, por ejemplo, extruimos estos materiales a través de inyectores o hileras muy delgadas", dijo Martí. "Así que este es el primer paso hacia la comprensión de cómo estos materiales comienzan a ensamblarse y comportarse cuando están en este entorno confinado".
Como uno de los primeros estudios que investiga la hidrodinámica de los materiales de nanoláminas 2D, la investigación ayuda a llenar un vacío en el campo y podría ser fundamental para superar los desafíos de la fabricación de materiales 2D.
"Nuestro objetivo final al estudiar estos bloques de construcción es poder generar materiales macroscópicos", dijo Martí.
Anatoly Kolomeisky, profesor de química e ingeniería química y biomolecular de Rice, y Matteo Pasquali, profesor de A.J. Hartsook, profesor de Ingeniería Química y Biomolecular y profesor de química, ciencia de materiales y nanoingeniería, son los autores correspondientes del estudio.
Más información: Utana Umezaki et al, Difusión browniana de nanohojas hexagonales de nitruro de boro y grafeno en dos dimensiones, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c11053
Información de la revista: ACS Nano
Proporcionado por la Universidad Rice
