Investigadores desarrollan método para medir la migración de átomos de carbono en la superficie del grafeno

Investigadores de la Universidad de Viena han medido por primera vez la migración de átomos de carbono en la superficie del grafeno. Aunque los átomos se mueven demasiado rápido para ser observados directamente con un microscopio electrónico, su efecto sobre la estabilidad del material ahora se puede determinar indirectamente mientras el material se calienta en una placa caliente microscópica.

El grafeno ha sido objeto de una intensa investigación durante años, pero no ha sido posible medir algunos procesos fundamentales, incluido el movimiento de los átomos de carbono en su superficie. Esta migración aleatoria es el origen atómico del fenómeno de la difusión, el movimiento natural de partículas tales como átomos o moléculas en gases, líquidos o sólidos. En la atmósfera y los océanos, este fenómeno asegura una distribución uniforme de oxígeno y sal. En las industrias técnicas, tiene una importancia central para la producción de acero, las baterías de iones de litio y las celdas de combustible, por nombrar algunos ejemplos. En la ciencia de los materiales, la difusión en la superficie de los sólidos explica cómo proceden ciertas reacciones catalíticas y cómo se cultivan muchos materiales cristalinos, incluido el grafeno.

Las tasas de difusión en la superficie generalmente dependen de la temperatura: cuanto más caliente, más rápido migran los átomos. En principio, al medir esta velocidad a diferentes temperaturas, es posible determinar la barrera de energía que describe qué tan fácil es para los átomos pasar de un sitio a otro en la superficie. Sin embargo, en el grafeno esto es imposible mediante imágenes directas, ya que los átomos no permanecen en su lugar el tiempo suficiente. Por lo tanto, hasta ahora, la comprensión científica en esta área se ha basado en simulaciones por computadora. Este nuevo estudio supera esta dificultad al medir indirectamente su efecto mientras se calienta el material en una placa caliente microscópica dentro de un microscopio electrónico.

Al visualizar la estructura atómica del grafeno con electrones mientras ocasionalmente expulsaban átomos, los investigadores pudieron determinar qué tan rápido deben moverse los átomos de carbono en la superficie para explicar el llenado de los agujeros resultantes a temperaturas elevadas. Al combinar la microscopía electrónica, las simulaciones por computadora y la comprensión de la interacción del proceso de formación de imágenes con la difusión, se podría llegar a una estimación de la barrera de energía.

“Después de un análisis cuidadoso, señalamos el valor en 0,33 electronvoltios, algo más bajo de lo esperado”, afirma el autor principal, Andreas Postl. El estudio también es un ejemplo de casualidad en la investigación, ya que el objetivo original del equipo era medir la dependencia de la temperatura de este daño por irradiación. “Honestamente, esto no era lo que inicialmente nos propusimos estudiar, pero tales descubrimientos en la ciencia a menudo ocurren al buscar persistentemente detalles pequeños pero inesperados”, concluye el autor principal Toma Susi.

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