MADRID, 19 Feb. (EUROPA PRESS) -
Investigadores han descubierto que un material de carbono bidimensional es más resistente que el grafeno, incluso para superar el reto del agrietamiento bajo fuerte presión en espesores atómicos.
Por ejemplo, los materiales derivados del carbono como el grafeno están entre los más fuertes de la Tierra, pero una vez que se verifican, las grietas se propagan rápidamente a través de ellos, lo que los hace propensos a fracturarse repentinamente.
Sin embargo, un nuevo material de carbono conocido como carbono amorfo monocapa (MAC) es fuerte y resistente. De hecho, el MAC, que fue sintetizado recientemente por el grupo de Barbaros Özyilmaz en la Universidad Nacional de Singapur (NUS), es ocho veces más resistente que el grafeno, según un nuevo estudio de científicos de la Universidad Rice y colaboradores, publicado en la revista Matter.
Al igual que el grafeno, el MAC también es un material 2D o de un solo átomo de espesor. Pero a diferencia del grafeno, donde los átomos están dispuestos en una red hexagonal ordenada (cristalina), el MAC es un material compuesto que incorpora regiones tanto cristalinas como amorfas. Esta estructura compuesta es la que le da al MAC su dureza característica, lo que sugiere que un enfoque de diseño compuesto podría ser una forma productiva de hacer que los materiales 2D sean menos frágiles.
"Este diseño único evita que las grietas se propaguen fácilmente, lo que permite que el material absorba más energía antes de romperse", dijo en un comunicado Bongki Shin, estudiante de posgrado en ciencias de los materiales y nanoingeniería en la Universidad de Rice, que es el primer autor del estudio.
Se trata de una gran noticia para los materiales 2D, que han permitido innovaciones transformadoras en múltiples campos, desde la electrónica más rápida y eficiente hasta el almacenamiento de energía de alta capacidad, sensores avanzados y tecnologías portátiles. Para poder aprovechar aún más sus extraordinarias propiedades, los científicos de materiales tienen que lidiar con su fragilidad, que hasta ahora ha limitado su aplicación en el mundo real.
Para hacer que los nanomateriales 2D sean más resistentes, se pueden agregar nanoestructuras de refuerzo a las películas delgadas (un método descrito en el estudio como "endurecimiento extrínseco") o introducir modificaciones dentro del plano del material (un método llamado "endurecimiento intrínseco"). La estructura en el plano del MAC ofreció un caso de estudio ideal para probar la tenacidad a la fractura de nanocompuestos formados por regiones ordenadas (cristalinas) incrustadas dentro de una matriz desordenada (amorfa).
"Creemos que esta estrategia de endurecimiento basada en la estructura podría funcionar para otros materiales 2D, por lo que este trabajo abre posibilidades interesantes para el diseño avanzado de materiales", dijo Jun Lou, profesor de ciencia de materiales y nanoingeniería y de química, que es autor correspondiente del estudio.
Los investigadores de Rice utilizaron pruebas de tracción in situ dentro de un microscopio electrónico de barrido para observar la formación y propagación de grietas en tiempo real. Esto les permitió observar directamente cómo la estructura nanocompuesta del MAC resiste la propagación de grietas. El grupo dirigido por Markus Buehler en el Instituto Tecnológico de Massachusetts realizó simulaciones de dinámica molecular, que les permitieron acercarse al nivel atómico para comprender cómo la mezcla de regiones cristalinas y amorfas afecta la energía de fractura.
"Esto no se había hecho antes porque crear y obtener imágenes de un material ultrafino y desordenado a escala atómica es extremadamente difícil", dijo Yimo Han, profesor adjunto de ciencia de materiales y nanoingeniería y autor correspondiente del estudio. "Sin embargo, gracias a los recientes avances en la síntesis de nanomateriales y la obtención de imágenes de alta resolución, pudimos descubrir un nuevo enfoque para hacer que los materiales 2D sean más resistentes sin agregar capas adicionales".