Revelan el mecanismo del crecimiento del grafeno sobre metales

El grafeno es un material ultradelgado y súper liviano, compuesto de una sola capa o lamina de átomos de carbono distribuidos de manera hexagonal. Su flexibilidad – similar al del plástico –, junto a su extrema resistencia – cien veces superior a la del acero – y a su excelente conductividad térmica y eléctrica, lo hacen ideal para múltiples usos industriales y tecnológicos. Su dureza y flexibilidad podría usarse, por ejemplo, para la fabricación de chasis de autos, chalecos antibalas u otros elementos de protección, así como su conductividad lo vuelve perfectamente adaptable para el armado de circuitos electrónicos.

Si bien actualmente la producción de grafeno es muy onerosa, la abundancia de carbono (único elemento del cual se compone) en la naturaleza lleva a considerar a los especialistas que optimizar los procesos de su fabricación podría achicar mucho los costos.

Descubierto en el año 2004 por investigadores rusos, gracias a la exfoliación de múltiples capas de grafito (el material de que están hechas las minas de los lápices), actualmente el grafeno se produce –entre otras formas – a través de la deposición de átomos de carbono sobre la superficie de metales como el cobre o el níquel que actúan como moldes. Sin embargo, hasta el momento aspectos importantes del mecanismo de este proceso aun no se conocían, lo que dificultaba la posibilidad de hacerlo más eficiente.

“Entender los detalles del mecanismo de crecimiento, hasta ahora desconocido, es fundamental para definir una estrategia para el desarrollo de nuevos y más eficientes procesos de producción de grafeno a nivel industrial”, afirma Marcelo Mariscal, investigador independiente del CONICET en el Instituto de investigaciones en Físico- Química de Córdoba (INFIQC, CONICET-UNC) y uno de los autores del artículo publicado recientemente en Science.

Lo que pudieron demostrar los investigadores es que si las láminas grafeno se forman a partir de la deposición de átomos de carbono sobre la superficie del níquel – a determinadas condiciones térmicas – es gracias a la acción de átomos sueltos del metal que se mueven sobre la superficie metálica y catalizan el proceso.

“El crecimiento del grafeno ocurre a través de un mecanismo muy similar al funcionamiento de una máquina de tejer cuando teje un hilo para formar una pieza de tela. Los átomos de níquel individuales juegan, a nivel microscópico, la misma función que la aguja de la máquina, añadiendo nuevos átomos de carbono al borde de grafeno en una secuencia ordenada”, explica Mariscal.

La observación y registro de este proceso en tiempo real fue posible gracias un sofisticado microscopio, con capacidad de obtener imágenes de barrido electrónico a alta velocidad, aportado por un equipo de investigación en física experimental de la Universidad de Trieste (Italia).

“Sin embargo, estas imágenes, aunque fundamentales, aun no cuentan con una resolución ideal, entonces hay que tratar de deducir qué es lo que ocurre. Las hipótesis formuladas a partir del trabajo experimental se pueden contrarrestar con simulaciones computacionales. Ese fue nuestro aporte principal a esta investigación”, cuenta Germán Soldano, investigador asistente del CONICET en el INFIQC bajo la dirección de Mariscal.

De acuerdo a los investigadores, este importante descubrimiento de considerable interés industrial y tecnológico es una prueba más de la importancia del trabajo conjunto entre científicos teóricos y experimentales.

Finalmente, Mariscal remarca que en gran medida el estudio fue posible gracias a la financiación de CONICET, a través de un programa de cooperación bilateral (CONICET/CNR) y del Ministerio de Asuntos Exteriores de Italia durante 2014-2017.