Los materiales más delgados que se pueden producir en la actualidad tienen el grosor de un solo átomo. Estos materiales, conocidos como materiales bidimensionales, exhiben propiedades que son muy diferentes en comparación con sus contrapartes tridimensionales masivas. Hasta hace poco, los materiales 2Dse produjeron y manipularon como películas en la superficie de un sustrato 3D adecuado. Trabajando en colaboración con un equipo del Instituto Leibniz de Nuevos Materiales, un grupo de físicos de la Universidad de Saarland, dirigido por el profesor Uwe Hartmann, ha logrado por primera vezcaracterizar las propiedades mecánicas de las membranas de grafeno independientes de un solo átomo de espesor. Las mediciones se realizaron utilizando microscopía de túnel de barrido STM. Los investigadores han publicado sus resultados en la revista especializada nanoescala .
Los materiales bidimensionales solo se conocen desde hace unos años. En 2010, los científicos André Geim y Konstantin Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física por su trabajo de investigación sobre el material grafeno, un alótropo bidimensional de carbono puro.Después de ese descubrimiento, se produjeron y caracterizaron varios otros materiales 2D hechos de silicio o germanio. "La característica especial de estos materiales es que tienen solo un átomo de espesor, prácticamente todos son de superficie", explica el profesor Uwe Hartmann.un físico experimental en la Universidad de Saarland. Como resultado, poseen propiedades físicas que son completamente diferentes a sus parientes tridimensionales más convencionales.
"Las propiedades electrónicas de algunas configuraciones de grafeno son espectaculares. Los electrones en el interior del material son relativistas, es decir, obedecen las leyes de la teoría de la relatividad, lo que ciertamente no es el caso de los electrones en materiales convencionales. Esto sugiere una serie dede interesantes ventajas para los componentes electrónicos fabricados a partir de materiales bidimensionales ", dice Hartmann. Las propiedades mecánicas de estos materiales 2D también son únicas. Según Hartmann:" Algunas configuraciones de estos materiales bidimensionales exhiben un grado de estabilidad mecánica que es -- en relación con el espesor del material, mucho mayor que el observado en los materiales tridimensionales más estables ". Para aprovechar este potencial, la UE estableció su proyecto insignia de grafeno en 2013. Con un presupuesto de investigación de mil millones de euroses hasta la fecha la mayor iniciativa de investigación de la UE.
Sin embargo, la información sobre las propiedades mecánicas de estos nuevos materiales se ha obtenido hasta ahora de simulaciones. "Hasta ahora, trabajar con materiales bidimensionales ha significado trabajar con películas ultrafinas en la superficie de un sustrato tridimensional adecuado.como resultado, las propiedades del sistema general están inevitablemente determinadas por el material tridimensional ", explica Hartmann. Trabajando en colaboración con el Instituto Leibniz de Nuevos Materiales INM, que también se encuentra en el campus de Saarbrücken, el equipo de investigación de Hartmann enel Departamento de Investigación de Nanoestructuras y Nanotecnología ha logrado por primera vez medir directamente las propiedades mecánicas de una membrana de capa autónoma de un solo átomo del grafeno alótropo de carbono.
"Ahora estamos en condiciones de comparar directamente los datos de los cálculos del modelo con nuestros hallazgos experimentales. Además, ahora podemos medir cómo los diferentes defectos en la red cristalina de la membrana afectan sus propiedades mecánicas", dice el profesor Hartmann. Estos dos-Los materiales dimensionales prometen importantes desarrollos innovadores en una variedad de sectores tecnológicos, desde sensores y actuadores hasta sistemas de filtros y pilas de combustible. Los resultados y métodos desarrollados por el equipo en Saarbrücken son, por tanto, de gran interés en numerosos campos de investigación.
Los científicos de Saarbrücken utilizaron una monocapa de grafeno que se apoyó en un sustrato con una serie regular de orificios circulares. Hartmann explica la configuración de la siguiente manera: "Los orificios tenían un diámetro de aproximadamente un micrómetro. Usando un microscopio de efecto túnel STM pudimos analizar la membrana independiente sobre los orificios con precisión atómica ".
"Cuando se aplica un voltaje eléctrico entre la punta del STM y la membrana de grafeno de un solo átomo de espesor, fluye una corriente eléctrica", explica Hartmann. Esta corriente, que se conoce como la "corriente de túnel", es muysensible a la distancia entre la punta del microscopio y la muestra de membrana y a la distribución de electrones en la película de grafeno. "Usamos este efecto para hacer visibles los átomos individuales. La corriente de efecto túnel varía mientras la punta del STM se escanea sobre el material".los investigadores también hacen uso de otro efecto. Cuando se aplica un voltaje entre la punta del STM y la muestra, una fuerza actúa sobre la membrana de grafeno independiente y comienza a abultarse hacia la punta. "A medida que se retira la punta,la monocapa atómicamente delgada se abulta aún más, ya que se levanta con unas pinzas atómicamente precisas. La medición de la deflexión de la membrana en función de la fuerza de tracción electrostática generada por el STM produce un diagrama de tensión-deformación que pronos ofrece las propiedades mecánicas clave de la membrana de grafeno ", explica Hartmann.
"Al registrar estos diagramas de tensión-deformación experimentales, hemos podido verificar directamente las extraordinarias propiedades mecánicas que se han presumido hasta ahora para estos materiales. Y pudimos hacerlo utilizando fuerzas del orden de una mil millonésima deun Newton, mucho, mucho más pequeño que cualquier fuerza utilizada en una medición mecánica convencional ", dice Hartmann. Los investigadores también pudieron demostrar que cuando se aplicaba una fuerza a una membrana de grafeno independiente, la membrana no se comportaba comola piel lisa de un timbal pero se parecía mucho más a la superficie ondulada de un lago. Las membranas exhiben una gama de movimientos ondulantes y responden a cualquier perturbación externa generando nuevas ondulaciones en la superficie de la membrana ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Saarland . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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