En medio del frenesí de la investigación mundial sobre materiales atómicamente delgados como el grafeno, hay un área que ha eludido cualquier análisis sistemático, a pesar de que esta información podría ser crucial para una serie de aplicaciones potenciales, que incluyen desalinización, secuenciación de ADN y dispositivos paracomunicaciones cuánticas y sistemas de computación.
Esa información faltante tiene que ver con los tipos de defectos minúsculos, o "agujeros", que se forman en estas hojas 2D cuando faltan algunos átomos en la red cristalina del material.
Ahora ese problema ha sido resuelto por investigadores del MIT, que han producido un catálogo de los tamaños y formas exactas de agujeros que probablemente se observarían a diferencia de los muchos más que son teóricamente posibles cuando un número dado de átomosse elimina de la red atómica. Los resultados se describen en la revista Materiales de la naturaleza en un artículo del estudiante graduado Ananth Govind Rajan, los profesores de ingeniería química Daniel Blankschtein y Michael Strano, y otros cuatro en el MIT, Lockheed Martin Space 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 materiales similares en forma de láminas bidimensionales para aplicaciones que incluyen separación química oLa filtración, dice, "solo necesitamos entender los tipos de defectos atómicos que pueden ocurrir", en comparación con el número mucho mayor que nunca se ven.
Por ejemplo, señala Blankschtein, al eliminar solo ocho átomos de carbono contiguos de la matriz hexagonal de átomos de pollo en grafeno, hay 66 formas posibles diferentes que podría tener el agujero resultante. Cuando el número de átomos eliminados aumentaa 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.
Strano dice que, al describir la falta de información sobre qué tipos de agujeros se pueden formar realmente, "lo que sí hizo, prácticamente hablando, fue una desconexión entre lo que podía simular con una computadora y lo que realmente podía medir en el laboratorio"."Este nuevo catálogo de formas que son realmente posibles hará que la búsqueda de materiales para usos específicos sea mucho más manejable", dice.
La capacidad de hacer el análisis se basó en una serie de herramientas que simplemente no estaban disponibles anteriormente. "No podría haber resuelto este problema hace 10 años", dice Strano. Pero ahora, con el uso de herramientas, incluida 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 elEl conjunto completo de estas formas complejas. Anteriormente, "si hablaba 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", agrega.
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 quierescréelos y controle 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 dispositivos de comunicación donde los agujeros de un tamaño y forma específicosestán sintonizados 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 también afectan las características electrónicas, magnéticas y ópticas, dice Govind Rajan.
"Creemos que este trabajo constituirá una herramienta valiosa" para la investigación de defectos en materiales 2D, predice Strano, porque permitirá a los investigadores centrarse en tipos prometedores de defectos en lugar de tener que clasificar innumerables formas teóricamente posibles"que no te importa en absoluto, porque son tan improbables que nunca se formarán"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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