Los ángulos de giro mágicos de las hojas de grafeno identificados
El grafeno es 200 veces más fuerte que el acero y puede ser hasta 6 veces más ligero. Estas características por sí solas lo convierten en un material popular en la fabricación. Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign recientemente descubrieron más propiedades de las láminas de grafeno que pueden beneficiar a la industria.
Configuración atomística del grafeno bicapa retorcido
Department of Aerospace Engineering, Grainger Engineering
El estudiante de doctorado Soumendu Bagchi, junto con su asesor Huck Beng Chew del Departamento de Ingeniería Aeroespacial en colaboración con Harley Johnson de Ciencias Mecánicas e Ingeniería identificaron cómo se comportan las hojas de grafeno retorcido y su estabilidad a diferentes tamaños y temperaturas.
"Nos concentramos en dos láminas de grafeno apiladas una encima de la otra pero con un ángulo de torsión", dijo Bagchi. "Hicimos simulaciones atómicas a diferentes temperaturas para diferentes tamaños de hojas de grafeno. Usando los conocimientos de estas simulaciones, desarrollamos un modelo analítico... puedes conectar cualquier tamaño de hoja, cualquier ángulo de giro, y el modelo predecirá el número de estados estables locales que tiene así como la temperatura crítica requerida para alcanzar cada uno de esos estados."
Bagchi explicó que el grafeno bicapa existe en una configuración apilada sin torsión de Bernal, que es también la secuencia repetida de apilamiento de grafito hexagonal cristalino. Cuando el grafeno bicapa se tuerce, quiere desenroscarse para volver a su estado original porque es el estado y la colocación más estable de los átomos.
"Cuando la estructura atómica retorcida se calienta, tiende a rotar hacia atrás, pero hay ciertos ángulos de giro mágicos en los que la estructura permanece estable por debajo de una temperatura específica. Y, también hay una dependencia del tamaño. Lo emocionante de nuestro trabajo es que, dependiendo del tamaño de la hoja de grafeno, podemos predecir cuántos estados estables tendrá, los ángulos mágicos de giro en estos estados estables, así como el rango de temperaturas requeridas para que el grafeno retorcido pase de un estado estable a otro", dijo Bagchi.
Según Chew, los fabricantes han estado tratando de hacer transistores de grafeno, y las bicapas retorcidas de grafeno son conocidas por exhibir propiedades electrónicas excitantes. En la fabricación de estos transistores de grafeno, es importante saber qué temperatura excitará el material para lograr una cierta rotación o respuesta mecánica.
"Han sabido que una hoja de grafeno tiene ciertas propiedades electrónicas, y añadiendo una segunda hoja en un ángulo se obtienen nuevas propiedades únicas. Pero una sola hoja atómica no es fácil de manipular. Fundamentalmente, este estudio responde a preguntas sobre cómo se comportan las hojas de grafeno retorcidas bajo carga térmica, y proporciona información sobre los mecanismos de auto-alineación y las fuerzas a nivel atómico. Esto podría potencialmente allanar el camino para que los fabricantes logren un control fino sobre el ángulo de torsión de las estructuras de materiales 2D. Pueden introducir directamente los parámetros en el modelo para entender las condiciones necesarias para lograr un estado de torsión específico".
Bagchi dijo que nadie ha estudiado las propiedades 2D de materiales como este. Es un estudio muy fundamental, y uno que comenzó como un proyecto diferente, cuando se topó con algo inusual.
"Notó que las hojas de grafeno mostraban cierta dependencia de la temperatura", dijo Chew. "Nos preguntamos por qué se comportaba de esta manera... no como un material normal.
"En materiales normales, la interfaz es típicamente muy fuerte. Con el grafeno, la interfaz es muy débil permitiendo que las capas se deslicen y giren. Observar esta interesante dependencia de la temperatura no estaba previsto. Esta es la belleza del descubrimiento en la ciencia."
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