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UC (Universidad de Cantabria)

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Un estudio prueba la naturaleza mecánica tridimensional del grafeno y una resistencia comparable a la del grafito

Fuente: UC | Publicado: 24-10-2019
Tres investigadores de la UC han participado en la elaboración del estudio publicado en la revista Physical Review Letters.
Derechos: Compresión hidrostática del grafeno frente a compresión hidrostática del grafito. En el grafeno las propiedades 3D se deben a los orbitales fuera de plano.
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Tres investigadores del grupo de Altas Presiones y Espectroscopía (APyE) que forma parte de los grupos de Física de Nuevos Materiales del Departamento de Ciencias de la Tierra y Física de la Materia Condensada (CITIMAC) de la Universidad de Cantabria (UC), Ignacio Hernández, Jesús González y Fernando Rodríguez, han participado en la elaboración de un estudio que prueba la naturaleza mecánica tridimensional del grafeno.


Bajo el título '3D Strain in 2D Materials: To What Extent is Monolayer Graphene Graphite?', el artículo publicado recientemente en la revista Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 123, 135501 (2019)) por el equipo liderado por el Dr. Yiwei Sun, de Queen Mary University de Londres, ha demostrado que el grafeno se deforma fuera de plano debido a la naturaleza tridimensional de los átomos, y ofrece una resistencia comparable a la del grafito. Este descubrimiento es de gran relevancia para comprender sus propiedades mecánicas así como para desarrollar nuevos dispositivos basados en grafeno.



En los experimentos realizados en los laboratorios del Grupo de Altas Presiones y Espectroscopía de la UC se han estudiado muestras de grafeno en el rango de 0 a 12 GPa (presión comparable con la de las capas superiores del manto terrestre de la Tierra a una profundidad de 300 Km). La medida de las vibraciones de los átomos mediante técnicas de espectroscopía Raman ha permitido caracterizar el comportamiento elástico de una única capa de grafeno en suspensión.



Esto ha supuesto un reto experimental, pues hasta ahora sólo se había podido estudiar el grafeno adherido en un sustrato y por tanto, sus propiedades mecánicas estaban fuertemente influenciadas por éste. Con las técnicas de síntesis y transferencia del equipo colaborador de la Universidad de Zhejiang (China) se han producido dos suspensiones de grafeno no adherido. El análisis de los datos ha permitido deducir que, a pesar de su extraordinaria dureza en el plano, no es posible despreciar la deformación tridimensional del grafeno. Este artículo has sido escogido por el Editor y comentado dentro del apartado "Editor's Choice" y "Viewpoint" de la revista y en una reseña en Physics World.



Si bien vivimos en un mundo tridimensional, el grafeno es un material que se puede considerar bidimensional (2D) en muchos aspectos. Se obtiene, por ejemplo, pelando el grafito en capas únicas de un átomo de grosor o mediante la evaporación controlada de átomos de Carbono. Esta morfología especial del carbono es sorprendente, pues no se esperaba la estabilidad de este tipo de estructura –los sólidos 2D son mecánicamente inestables– hasta que se descubrió en 2004 por Geim y Noselov, por lo que recibieron el premio Nobel de Física en 2008. Las propiedades de este material, debido a este carácter 2D, son de enorme interés tecnológico, debido a sus propiedades físicas excepcionales, entre las que destacan las conductividades eléctricas y térmicas y muy especialmente su enorme dureza en el plano.



Durante los últimos años se ha desarrollado una gran actividad investigadora alrededor de este material y otros de la misma naturaleza, como los nanotubos de carbono (que consisten en una lámina de grafeno enrollada), el óxido de grafeno, etc., de las que están surgiendo multitud de aplicaciones en diversos campos relacionados con la energía, optoelectrónica, catálisis, biomedicina, materiales compuestos de altas prestaciones mecánicas, etc.


Asimismo, se han encontrado nuevos materiales 2D similares, con espesores de alrededor de un átomo, como el nitruro de boro (BN), o el disulfuro de Molibdeno (MoS2), cuyas nuevas propiedades son objeto de gran interés por los científicos del siglo XXI.


Referencia del artículo: Y. W. Sun, W. Liu, I. Hernandez, J. Gonzalez, F. Rodriguez, D. J. Dunstan, and C. J. Humphreys Phys. Rev. Lett. 123, 135501.   DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.135501
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