Científicos brasileños descubren una inesperada propiedad del grafeno

El material ofrece resistencia al movimiento de la punta del microscopio AFM, que puede variar hasta un 80% de acuerdo con la dirección cristalina

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El grafeno es uno de los materiales más estudiados en la actualidad. Y esto se justifica. Constituido por una única capa de átomos de carbono, dispuestos en una red bidimensional de trama hexagonal, es extremadamente delgado, liviano y resistente. Y si se añaden sus propiedades, tales como transparencia, flexibilidad, alta conductividad eléctrica y térmica y bajo costo de producción, el horizonte de aplicaciones resulta prácticamente ilimitado.

Pero, pese a tantas investigaciones realizadas, una sorprendente propiedad del grafeno permanecía ignorada. Y fue descubierta por investigadores brasileños en el marco de un estudio publicado en Scientific Reports, una revista del Grupo Springer Nature, intitulado “Giant and Tunable Anisotropy of Nanoscale Friction in Graphene”. Se trata de la enorme anisotropía –propiedades que varían según la dirección– exhibida por el grafeno cuando es “barrido” en distintas direcciones por la punta del microscopio de fuerza atómica (atomic force microscope – AFM).

“La observación mostró que la fuerza de rozamiento existente entre la punta del microscopio y la hoja de grafeno es altamente dependiente de la dirección de barrido. La energía disipada a lo largo de la ‘dirección armchair’ [la ruta cuya geometría se asemeja al brazo de una silla] llega a ser un 80% mayor que la energía disipada a lo largo de la dirección zigzag”, declaró el físico Douglas Soares Galvão, uno de los autores del artículo, a Agência FAPESP. Soares Galvão es profesor titular del Instituto de Física de la Universidad de Campinas (IF-Unicamp), en São Paulo, e investigador principal del Centro de Investigaciones en Ingeniería y Ciencias Computacionales (CCES, por sus siglas en inglés), uno de los 17 Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) apoyados por la FAPESP.

Armchair y zigzag fueron las dos principales direcciones contempladas en el estudio. “Las direcciones cristalográficas del grafeno se determinan con el microscopio de fuerza atómica, mediante la utilización del modo de fuerza de rozamiento. Con esta técnica logramos establecer las direcciones en la hoja de grafeno y hacer las mediciones de rozamiento en nanoescala”, explicó la física Clara Muniz da Silva de Almeida, la principal autora del artículo. Muniz da Silva de Almeida es la investigadora responsable del Laboratorio de Microscopía de Fuerza Atómica, perteneciente a la División de Materiales del Instituto Nacional de Metrología, Calidad y Tecnología (Inmetro), con sede en el campus de Xerém, en Duque de Caxias, Río de Janeiro.

Tal como se afirma en el artículo, la enorme anisotropía en el valor de la fuerza de rozamiento, y, por ende, en la energía disipada en las distintas direcciones, resulta bastante sorprendente, dada la isotropía de las propiedades elásticas del grafeno. Sería de esperarse que exista una pequeña diferencia de energía disipada en función de las direcciones cristalinas, tal como sucede con el grafito, que no es otra cosa que un apilado de hojas de grafeno. Sin embargo, las mediciones experimentales contrariaron esta expectativa y mostraron una diferencia de hasta un 80% en el valor de la energía disipada entre las direcciones cristalinas.

“Esto se debe a la deformación de la hoja de grafeno con la punta del microscopio. Dicha deformación, que se amplifica de diferentes modos en ambas direcciones, determina los valores diferenciales de la fuerza de rozamiento. Una analogía sencilla de este fenómeno es la ondulación que forma la tela de una ropa ante el paso de la plancha”, graficó Soares Galvão.

“Nos sorprendió el hecho de que la fuerza de rozamiento sea mayor cuanto menor es la cantidad de capas de grafeno. Pero la analogía con el proceso de planchar ropa también ayuda a entender esto. Cuando se superponen varias prendas, eso crea una estructura rígida, que prácticamente no se deforma con el movimiento de la plancha. Análogamente, en el grafito, que está formado por muchas capas de grafeno, la deformación es mínima. Pero, cuando la cantidad de capas disminuye hasta llegar a la hoja única, la deformación se vuelve bastante relevante”, prosiguió el investigador de la Unicamp.

“La deformación flexural producida en la hoja de grafeno por la punta del microscopio determina ondulaciones distintas según la dirección. El movimiento de esa ondulación en la dirección de zigzag resulta mucho más fácil que en la dirección armchair”, resumió Clara Almeida.

Dicho de este modo, parece sencillo. Pero, para explicar esta diferencia, detectada experimentalmente, fue necesario aunar tres robustos recursos teóricos: el modelo de Prandtl-Tomlinson, utilizado para la descripción de mecanismos friccionales a escala atómica, la dinámica molecular atomística y la teoría del funcional de la densidad, derivada de la mecánica cuántica.

Según los investigadores, este efecto podría entenderse como una manifestación, a escala nanométrica, del fenómeno clásico de la pandeo (el curvado de una barra cuando se la somete a un esfuerzo de compresión axial), descrito matemáticamente por el gran matemático y físico suizo Leonhard Euler (1707-1783) en 1744.

Debido a sus notables características electrónicas, térmicas y mecánicas, el grafeno es un firme candidato para la fabricación de la próxima generación de dispositivos electrónicos y de sistemas nanoelectromecánicos (nanoelectromechanical systems – NEMS). Tales aplicaciones requieren la comprensión de las propiedades mecánicas y tribológicas –es decir, producto de la interacción de superficies en movimiento relativo– de estos materiales bidimensionales.

“La anisotropía que encontramos puede ser determinante para la fabricación de esos NEMS, cuyo diseño requiere el conocimiento previo de la orientación cristalina. En la mayoría de los casos, las propiedades del material en la configuración bidimensional [grafeno] son muy distintas a las propiedades ya conocidas en la configuración tridimensional [grafito]”, subrayó Clara Almeida.

Su grupo del Inmetro empezó a trabajar con grafeno en 2010, y desde entonces ha realizado investigaciones en las áreas de metrología de defectos en grafeno, determinación de la orientación cristalográfica de la hoja de grafeno mediante microscopía de fuerza atómica, utilización de la AFM para el manipuleo del grafeno con miras a crear nuevas nanoestructuras y, actualmente, de nanotribología de ese material.

Aparte de Muniz da Silva de Almeida y Soares Galvão, participaron en el estudio Rodrigo Prioli (Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro), Benjamin Fragneaud (Universidad Federal de Juiz de Fora), Luiz Gustavo Cançado (Inmetro/ Universidad Federal de Minas Gerais), Ricardo Paupitz (Universidade Estadual Paulista, campus de Rio Claro), Marcelo De Cicco (Inmetro), Marcos G. Menezes (Universidad Federal de Río de Janeiro), Carlos A. Achete (Inmetro) y Rodrigo B. Capaz (Inmetro/ Universidad Federal de Río de Janeiro).

Puede leerse el artículo intitulado Giant and Tunable Anisotropy of Nanoscale Friction in Graphene, publicado en Scientific Reports, ingresando en la siguiente dirección: nature.com/articles/srep31569.