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.diario 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 apunta al desarrollo de dispositivos electrónicos a nanoescala. Sin embargo, los investigadores dicen que muchas tecnologías, desde la electrónica elástica hasta los pequeños robots tan pequeños que no se pueden ver a simple vista, requieren una comprensión delMecánica del grafeno, particularmente cómo se flexiona y dobla, para desbloquear su potencial.
"La rigidez a la flexión de un material es una de sus propiedades mecánicas más fundamentales", dijo Edmund Han, un estudiante de posgrado en ciencias de la ingeniería e ingeniería y coautor del estudio. "Aunque hemos estado estudiando grafeno durante dos décadas, tenemosaún por resolver esta propiedad fundamental. La razón es que diferentes grupos de investigación han encontrado diferentes respuestas que abarcan varios órdenes de magnitud ".
El equipo descubrió por qué los esfuerzos de investigación anteriores no estaban de acuerdo. "O bien doblaban un poco el material o lo doblaban mucho", dijo Jaehyung Yu, un estudiante graduado en ciencias mecánicas e ingeniería y coautor del estudio. "Pero encontramos que el grafenose comporta de manera diferente en estas dos situaciones. Cuando dobla un poco el grafeno multicapa, actúa más como una placa rígida o un trozo de madera. Cuando lo dobla mucho, actúa como una pila de papeles donde las capas atómicas pueden deslizarse más allá de cada unootro."
"Lo que es emocionante de este trabajo es que muestra que, aunque todos estuvieron en desacuerdo, en realidad todos estaban en lo correcto", dijo Arend van der Zande, profesor de ciencia mecánica e ingeniería y coautor del estudio. "Cada grupo estaba midiendoalgo diferente. Lo que hemos descubierto es un modelo para explicar todos los desacuerdos al mostrar cómo se relacionan entre sí a través de diferentes grados de flexión ".
Para hacer el grafeno doblado, Yu fabricó capas atómicas individuales de nitruro de boro hexagonal, otro material 2D, en pasos de escala atómica, luego estampado el grafeno en la parte superior. Usando un haz de iones enfocado, Han cortó una rodaja de material e hizo una imagenla estructura atómica con un microscopio electrónico para ver dónde se encontraba cada capa de grafeno
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 paso de solo uno a cinco átomos de alto, los investigadores crearon una forma controlada y precisa de medir cómo el material se doblaría sobre el paso en diferentes configuraciones.
"En esta estructura simple, hay dos tipos de fuerzas involucradas en doblar el grafeno", dijo Pinshane Huang, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería y coautor del estudio. "La adhesión, o la atracción de átomos a la superficie, intentapara tirar del material hacia abajo. Cuanto más rígido sea el material, más intentará volver a levantarse, resistiendo el tirón de la adhesión. La forma que el grafeno toma sobre los pasos atómicos codifica toda la información sobre la rigidez del material ".
El estudio controló sistemáticamente exactamente cuánto se dobló el material y cómo cambiaron 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 lámina", dijo el profesor de ciencias mecánicas e ingeniería Elif Ertekin, quien dirigió la computadoramodelando parte de la investigación ". 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 entrelas capas individuales "
Los nuevos resultados tienen implicaciones para la creación de máquinas que sean lo suficientemente pequeñas y flexibles como 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 tienen las capacidades de los sistemas biológicos, necesitamos tener sistemas electrónicos que puedan cambiar sus formas y ser muy suaves.bueno ", dijo van der Zande." Al aprovechar el deslizamiento entre capas, hemos demostrado que el grafeno puede ser de órdenes de magnitud más suaves que los materiales convencionales del mismo grosor ".
La National Science Foundation, a través del Centro de Investigación de Materiales de Illinois, apoyó esta investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Oficina de Noticias . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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