martes, 11 de diciembre de 2018
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Identifican el mecanismo de crecimiento del grafeno sobre metales

Científicos de la Facultad de Ciencias Químicas lograron explicar cómo el grafeno incorpora átomos de carbono y, de esa manera, aumenta su superficie al hallarse sobre una lámina de níquel. El avance marca un punto de inflexión porque abre la posibilidad de diseñar nuevas estrategias para la producción de lo que se considera el material más promisorio para la industria tecnológica. Para comprender el proceso, durante prácticamente un mes realizaron simulaciones en una de las supercomputadoras del Centro de Cómputos de Alto Desempeño de la UNC El trabajo fue realizado en colaboración con investigadores de Italia y publicado días pasados en la prestigiosa revista Science. [22.03.2018]

El video muestra cómo va creciendo el grafeno. Los “chispazos” brillantes que ocurren en el límite del material son los átomos de níquel que van adicionando átomos de carbono. Esta reacción sucede tan rápido que la cámara sólo alcanza a captar estas reacciones en algunas ocasiones.

Publicado en UNCIENCIA

El grafeno es el material perfecto: es sumamente liviano, traslúcido, flexible como el plástico y estable a temperatura ambiente. Posee, además, una resistencia mecánica cien veces superior al acero y es un conductor extraordinario del calor y la electricidad. Como está compuesto por una única lámina de átomos de carbono –que permanecen fuertemente unidos formando un entramado hexagonal– es considerado el material más delgado del universo.

Por todas esas propiedades, la industria tecnológica ha depositado buena parte de sus esperanzas en él. En Japón, ya se lo utiliza en la fabricación de pantallas y en el futuro se prevé que incluso reemplace a la fibra óptica. Sin embargo, el principal obstáculo para su empleo masivo radica en que los métodos de producción son tan complejos que encarecen sobremanera su uso.

Eso podría cambiar gracias al trabajo que acaban de publicar en Science Marcelo Mariscal y Germán Soldano, ambos integrantes del Instituto de Investigaciones en Fisicoquímica de Córdoba (INFIQC), un centro de doble dependencia (UNC-Conicet) radicado en la Facultad de Ciencias Químicas.

En colaboración con investigadores de la Universidad de Trieste (Italia) y del Consejo Nacional Italiano de Investigación (CNR), identificaron el mecanismo por el cual el grafeno “crece” sobre la superficie del níquel, un metal comúnmente usado en el campo industrial. El hallazgo abre un nuevo escenario para el diseño de estrategias innovadoras que permitan abaratar significativamente su producción.

En términos simples, el proceso es similar a lo que ocurre al tejer una bufanda. Con cada puntada que dan las agujas, la prenda va incorporando lana y su tamaño aumenta. Lo mismo sucede con el grafeno: en cada uno de sus bordes, va sumando un átomo de carbono por vez, en una reacción que dura apenas milisegundos y de esa manera va expandiéndose. En este caso, el rol de las agujas es desempeñado por átomos de níquel, encargados de atraer a los carbonos que deambulan libres y unirlos al grafeno.

Una vez “enganchados”, los enlaces químicos que mantienen unidos entre sí a los átomos de carbono son tan fuertes que ya no se separarán. Develar el modo en que el grafeno se expande allana el camino para que, eventualmente, se desarrolle la tecnología óptima para controlar ese proceso y sea factible reducir la inversión necesaria para generar este insumo a gran escala.

Esta secuencia permite comprender cómo se interpretaron los datos obtenidos experimentalmente. A la izquierda se encuentra una de las imágenes capturadas por la cámara del microscopio del borde del grafeno, y en el extremo derecho se ubica el modelo teórico final. Los pasos intermedios son los avances que se fueron realizando en la comprensión del fenómeno.

Primero observo, luego explico

La colaboración entre el equipo de la UNC y el europeo comenzó hace tres años. Los investigadores locales se encargaron de las simulaciones y la explicación del fenómeno, mientras que sus pares se concentraron en la realización del experimento y la adecuación de los instrumentos.

En Italia, incorporaron un módulo de escaneo de alta velocidad (60 imágenes por segundo) a un microscopio altamente sofisticado. Con ese equipo registraron, en tiempo real, el comportamiento de los átomos individuales de carbono sobre la superficie de níquel.

Un dato ayuda a dimensionar las escalas de trabajo: la muestra de níquel fue una chapita cuadrada de un milímetro de lado. La lámina de grafeno, en tanto, promedió algunas millonésimas partes de milímetro y era literalmente invisible para el ojo humano.

¿Cómo ubicaron inicialmente el grafeno allí? El equipo italiano tiene experiencia en “cultivar” este material, un procedimiento que técnicamente se denomina “sintetizar”. Básicamente, elevan la temperatura hasta los 450 °C para que el carbono se vuelva gaseoso. En ese momento, los átomos salen disparados en todas direcciones. Algunos se incrustan en el níquel a niveles más profundos y otros quedan en su superficie, donde comienza a formarse una “semilla” de grafeno.

Si bien se sabía que el grafeno crecía en esas condiciones, se desconocía por completo cómo ocurría ese fenómeno. En este punto intervienen Mariscal y Soldano. Con la filmación del proceso y los datos recabados durante la fase experimental en Italia, los científicos cordobeses generaron los modelos teóricos y realizaron las simulaciones computacionales que permitieron explicar el mecanismo. Para esta última tarea, usaron durante casi un mes parte de la supercomputadora “Mendieta”, del Centro de Cómputo de Alto Desempeño de la Universidad Nacional de Córdoba.

En la imagen de la izquierda, el grafeno está graficado con la estructura hexagonal roja. Cada esfera es un átomo de carbono. La capa inferior gris representa la lámina de níquel. Los círculos blancos indican los lugares donde ocurren simultáneamente los procesos de crecimiento del grafeno.
La sucesión de imágenes de la derecha corresponde a capturas obtenidas por el microscopio de efecto túnel. Si se observa en detalle, es posible ver los átomos de carbono (pequeños puntos naranjas). En el primer cuadro, se indica la escala: 5 Å (ángstroms), que equivalen a 0,0000005 milímetros. Imágenes: Cristina Alfrich, Consejo Nacional Italiano de Investigación.

 

En términos simples, lo que sucede es lo siguiente: en el borde del grafeno, en lugares muy específicos, se generan “pozos energéticos”. Los átomos de níquel se mueven aleatoriamente hasta que, en un determinado momento, caen en esas hondonadas. Y se mantienen allí el tiempo suficiente como para atraer a un átomo libre de carbono y engancharlo al resto del material. Cuando esto ocurre, el níquel avanza un lugar y todo comienza nuevamente. Así, va “tejiendo” hiladas de grafeno.

En este esquema, los átomos de níquel funcionan como catalizadores, es decir, como aceleradores de reacciones. “Se sospechaba que podían jugar algún rol, pero nunca se había capturado a uno trabajando de esta manera”, explica Mariscal, y completa: “Detectar ese mecanismo de cierre permitirá diseñar nuevos experimentos o procesos que lo favorezcan y eso abre la puerta para comenzar a probar con otros metales”.

En realidad, el uso de níquel como sustrato base no fue al azar. Por una casualidad de la naturaleza, este metal tiene una estructura en la que encaja perfectamente el grafeno y por eso funciona casi como un molde sobre el que crece este material.

Sobre el trabajo colaborativo con sus pares de Italia, Soldano subraya: “Experimentalmente se logra controlar cada vez sistemas más pequeños, podés incluso mirar átomos. Y desde la teoría, sucede lo contrario: cada vez podemos simular sistemas más grandes. En los últimos años está ocurriendo un encuentro. En este caso hubo muchísima interacción”.

 

Más de cuatro años de cálculo, pero en menos de un mes

Simulación por computadora de la trayectoria que sigue el átomo de níquel (en azul) hasta ubicarse en el borde del grafeno. Allí acelerará la reacción por la cual el material irá incorporando progresivamente átomos de carbono. Imagen: Germán Soldano.
Para interpretar los datos provistos por sus pares italianos, Mariscal y Soldano generaron modelos teóricos capaces de reproducir el fenómeno en simulaciones de computadoras.
Para ello aprovecharon el clúster “Mendieta”, del Centro de Computación de Alto Desempeño de la UNC.
En ese equipo, ejecutaron programas específicos (LAMMPS y Quantum ESPRESSO ) para el análisis del comportamiento de materiales.
El volumen de operaciones que requirió el trabajo de estos investigadores puede sintetizarse con una comparación: una máquina con un procesador de un solo núcleo hubiera requerido cuatro años de cálculos.
Pero como los software que usaron puede aprovechar de manera simultánea 100 o más núcleos –Mendieta posee en total 424 núcleos–, el tiempo se redujo a menos de un mes. En total, los autores del trabajo estiman que el tiempo de cálculo fue de unas 38.000 horas por cada núcleo.
La publicación científica
Real-time imaging of adatom-promoted graphene growth on nickel, de Laerte Patera, Federico Bianchini, Cristina Africh, Carlo Dri, German Soldano, Marcelo Mariscal, Maria Peressi y Giovanni Comelli. Publicado en Science el 16 de marzo de 2018.
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