Los materiales bidimensionales son un poco alucinantes. Los seres humanos viven en un mundo tridimensional, después de todo, donde todo lo observado en nuestro mundo natural tiene altura, ancho y profundidad. Y, sin embargo, cuando el grafeno - unmaterial de carbono único en su dimensión verdaderamente plana, de un átomo de profundidad: se produjo por primera vez en 2004, el concepto alucinante se convirtió en realidad y una frontera inexplorada en la ciencia de los materiales.
Los científicos del Laboratorio Ames, Pat Thiel y Michael Tringides, son exploradores en esa frontera, descubriendo las propiedades únicas de los materiales bidimensionales 2D y los metales cultivados en grafeno, grafito y otras superficies recubiertas de carbono.
"Nuestro trabajo es un milagro, si los científicos pueden hablar de milagros", dijo Tringides, quien también es profesor de física en la Universidad Estatal de Iowa. "Hace solo unas décadas, nadie hubiera creído que podíamos verátomos individuales, pero nuestras capacidades ahora no solo nos permiten verlos, sino manipularlos, como un niño que construye con ladrillos Lego®. Podemos crear estos materiales de abajo hacia arriba, unos que nunca podrían suceder en la naturaleza ".
Se crean en un entorno de laboratorio controlado, en un entorno de vacío ultra alto, y se investigan con la ayuda de microscopía de túnel de barrido. Después de calentar el sustrato a alta temperatura, se eliminan todas las impurezas y defectos. El sustrato se enfría y los átomosde interés se depositan uno por uno de fuentes especialmente diseñadas. Al ajustar la temperatura y la tasa de deposición, los investigadores buscan la condición similar a Ricitos de Oro: los átomos no se mueven demasiado rápido ni demasiado lento, por lo que se forma un material verdaderamente 2D.
Si bien sus grupos de investigación crean una variedad de materiales de superficie en su trabajo, los métodos de fabricación tienen una cosa en común: intentar limitar el ensamblaje de los átomos al plano 2D. Eso es difícil, porque es contrario a lo que los átomos quieren naturalmentehacer en la mayoría de las condiciones, ensamblar en tres dimensiones.
"Los átomos son caóticos por naturaleza; estamos luchando contra esta aleatoriedad en todo lo que hacemos", dijo Tringides. "En nuestro trabajo, los átomos están dispuestos con precisión en una superficie altamente reactiva en el vacío. Todos los aspectos del medio ambiente están controlados. Nuestroel trabajo es fabricar muy pequeño, muy limpio y muy perfecto. Trabajar en materiales en la nanoescala lo exige ".
Aprender cómo se comportan estos materiales es primordial. Debido a que los materiales 2D son todos de superficie sin volumen, se les puede atribuir una serie de propiedades únicas a nanoescala: química, magnética, electrónica, óptica y térmica.
"Hay un libro de reglas para las propiedades de los materiales a granel o tridimensionales, y contiene grandes fragmentos que se entienden y aceptan universalmente", dijo Thiel, químico físico, científico de materiales y profesor distinguido de la Universidad Estatal de Iowa."Pero el libro de reglas para materiales 2D no está escrito en gran medida. Hay muchas cosas que no sabemos. Tenemos muchas sorpresas y luego debemos explicarlas".
Escribir el libro de reglas sobre el comportamiento de estos materiales es solo el primer paso en un objetivo más amplio; crear materiales ajustables que podrían ser potencialmente útiles en una gran cantidad de aplicaciones tecnológicas, incluyendo microelectrónica ultrarrápida, catálisis y espintrónica.
Es la razón por la que la investigación de Thiel y Tringides se ha centrado en el cultivo de metales en sustratos 2D en los últimos cuatro años, convirtiéndola en una de las principales fortalezas de la investigación de materiales del Laboratorio Ames.
Graphene ha ganado mucha atención entusiasta tanto en la investigación científica como en la industria tecnológica porque los electrones viajan muy rápido a lo largo de su superficie, explicó Tringides. Pero para crear dispositivos funcionales, se necesitan patrones de contactos metálicos de tamaño nanométrico en su superficie, diseñados específicamente parauna función deseada.
"Cualquiera que sea el material que estamos tratando de crear, la uniformidad de la superficie es la clave para un dispositivo funcional, y ahí es donde entra nuestra investigación 'perfecta'. Esa perfección nos hace lentos, pero es una compensación", dijoTringides: "Si podemos obtener una comprensión profunda de cómo se pueden producir estos contactos en condiciones ideales en un ambiente controlado, estos métodos pueden optimizarse eventualmente para la producción y el uso comercial".
El éxito más reciente de Thiel y Tringides es la intercalación de disprosio en capas de grafito. La intercalación es la introducción de un material en compuestos con estructuras en capas. Eso es un verdadero desafío con el grafito, ya que su superficie puramente 2D da como resultado capas "resbaladizas" conno hay una buena manera de formar vínculos entre ellos
"Es como una pila de mantas en una cama", dijo Thiel. "Las mantas en sí son estructuralmente sólidas, pero dos mantas apiladas una encima de la otra se deslizan, se deslizan de la cama y se pelan fácilmente en capas."Pero el equipo descubrió recientemente las condiciones bajo las cuales pueden crear diferentes tipos de sistemas intercalados de metal y grafito, uniendo esas mantas deslizantes de material en dos dimensiones. Es una nueva y prometedora forma de formar un revestimiento delgado de un metal protegidopor una capa de carbono, y podría abrir el camino a materiales con propiedades magnéticas o catalíticas únicas.
Con un enfoque experimental tan limitado y altamente controlado en ciencias básicas, podría ser tentador suponer que su investigación, como sus experimentos, ocurre en el vacío. Pero Thiel atribuye el éxito de la ciencia de la superficie en el Laboratorio Ames a la estrecha colaboraciónde varios grupos de investigación. "El Laboratorio Ames es un entorno fértil para experimentos de ciencias de la superficie porque tenemos la oportunidad de colaborar directamente con muchos científicos en diversas áreas de especialización que abordan el mismo problema desde un punto de vista diferente", dijo Thiel, incluidos especialistas en banda fotónica.materiales de brecha, física óptica, teoría y fabricación de materiales ". Si bien ese modelo de colaboración ha sido adoptado por otras instituciones y es la norma ahora, el tamaño íntimo y la cultura comunitaria de Ames Lab realmente comenzaron todo, y nuestros logros en ciencias de la superficie se han beneficiado enormementede eso."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Ames . Original escrito por Laura Millsaps. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Cite esta página :