Los investigadores de Penn State, el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y la Compañía de Sistemas Espaciales Lockheed Martin han desarrollado métodos para controlar defectos en materiales bidimensionales, como el grafeno, que pueden conducir a membranas mejoradas para la desalinización del agua, almacenamiento de energía,sensores o recubrimientos protectores avanzados
Para un material bidimensional de un átomo de espesor como el grafeno, los defectos como pequeñas grietas o agujeros pueden hacer una gran diferencia en el rendimiento. Por lo general, estos defectos se consideran indeseables. Pero si los defectos pueden controlarse, puedenser utilizado para diseñar nuevas propiedades deseables en el material.
"Mientras pueda controlar los defectos, puede sintetizar en grafeno cualquier tipo de respuesta que el material le dará", dice Adri van Duin, autor correspondiente en un artículo reciente en la revista ACS Nano de la American Chemical Society."Pero eso requiere que tenga un muy buen control sobre la estructura y el comportamiento del defecto. Lo que hemos hecho aquí es un paso bastante fuerte hacia eso".
van Duin es el co-inventor y desarrollador principal de una técnica matemática de modelado y simulación llamada ReaxFF, que es capaz de predecir las interacciones de miles de átomos cuando son perturbados por una fuerza externa, en este caso el bombardeo de grafeno porátomos de un gas noble.
Los gases nobles, que incluyen helio, neón, argón, criptón y xenón, se usan con frecuencia para crear defectos en el grafeno con el fin de mejorar sus propiedades. Al eliminar uno o más átomos de carbono de la estructura en forma de alambre de pollo del grafeno,El agujero resultante puede ser llenado por átomos de otro material o por moléculas específicas en un proceso llamado dopaje. El dopaje puede cambiar las propiedades químicas o eléctricas del grafeno para, por ejemplo, permitir que las moléculas de agua fluyan a través de una membrana mientras rechaza las partículas de sal..
"Hemos realizado una serie de simulaciones de escala atomística donde aceleramos los iones de gases nobles en el grafeno. Las simulaciones dieron los mismos patrones de defectos que los experimentos", dice Van Duin. "Eso significa que nuestras simulaciones pueden decirle al experimentalista qué dosis de átomosa qué aceleración necesitan obtener ese tipo de defectos ". Debido a que los defectos pueden transformarse en diferentes formas o moverse en los segundos posteriores a la creación, su grupo también simula poner el grafeno en un horno y calentarlo a alta temperatura, llamado recocido, para estabilizarla estructura.
Es inusual que una simulación atomística corresponda al mismo tamaño, tiempo y rango de exposición que un experimento, debido al gasto computacional de hacer interacciones entre miles de átomos durante la escala de tiempo requerida para estabilizar un material, dice van Duin.El método de campo de fuerza reactiva ReaxFF, desarrollado por van Duin y William A. Goddard de CalTech, es capaz de modelar interacciones químicas y físicas en moléculas y materiales a medida que se forman y rompen enlaces entre átomos.
Kichul Yoon, autor principal del artículo y estudiante graduado en el grupo de Van Duin, dice: "Este estudio proporciona información sobre los detalles a escala atomística de la irradiación de grafeno y es un paso preliminar en el diseño de materiales de carbono funcionalizados en dos dimensiones".
Van Duin agrega: "Claramente, no hay nada que lo haga exclusivo del grafeno. Cualquier material 2D puede tratarse con las mismas simulaciones. Cualquier persona que quiera dopar un material 2D o comprender defectos estará interesado en estas simulaciones".
Tienen la intención de continuar trabajando con Lockheed Martin en aplicaciones aeroespaciales y también perseguirán el objetivo de la desalinización de agua a base de grafeno. Jacob Swett de Lockheed Martin preparó las muestras utilizadas en los experimentos y fue crucial para avanzar en el proyecto.
Para correlacionar las simulaciones con los experimentos, los investigadores confiaron en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos CNMS, una Instalación de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL, para crear defectos usando bombardeo iónico y posteriormente caracterizar esos defectos usando imágenes de resolución atómica.
"En CNMS, contamos con instrumentos de microscopía electrónica de transmisión de barrido de iones de helio y neón de última generación y con corrección de aberración que permiten la caracterización de la escala atomística", dice Raymond Unocic, científico del personal de I + D del Laboratorio Nacional Oak Ridge.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Investigación de Materiales de Penn State . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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