El origami de grafeno alcanza una precisión cuántica

Es más fácil doblar una servilleta que un bloc de notas. El potencial para manipular el grafito en nanoestructuras precisas utilizando un microscopio de barrido de sonda ha sido motivo de burla para los investigadores desde que Thomas W. Ebbesen e Hidefumi Hiura informaron por primera vez sobre desgarros y pliegues accidentales en su grafito durante los experimentos con el microscopio de barrido de túneles (STM) a mediados de la década de 1990. Sin embargo, aunque los estudios realizados por varios grupos de investigación de todo el mundo también pudieron demostrar un plegado de grafito similar al del origami con una sonda de escaneo, no pudieron determinar dónde o cómo se producirían los pliegues. Ahora, al reemplazar el grafito por nanoislas de grafito de alta calidad, los investigadores de China y los Estados Unidos han aprovechado finalmente el control a nivel atómico del STM para convertirlo en una herramienta de nanofabricación de origami con un nivel de precisión comparable.

«Similar al origami de papel convencional, nuestro trabajo actual ha hecho posible la creación de nuevas nanoestructuras complejas mediante el plegado de materiales de capas atómicas de diseño personalizado», dice Hong-Jun Gao, investigador de la Academia China de Ciencias (CAS) que dirigió este último trabajo. Junto a Shixuan Du y colaboradores de CAS, así como de la Universidad de Vanderbilt y la Universidad de Maryland en los EE.UU., Gao informa sobre cómo pueden doblar capas individuales de grafeno con la dirección del pliegue especificada en un rango que va desde alrededor del ángulo mágico a 1,1 ° (donde las observaciones del comportamiento correlacionado de los electrones han estado causando tal agitación) hasta 60 °, con una precisión de 0,1 °. Sus manipulaciones STM también dejan estructuras tubulares en los bordes que tienen características de electrones de estructura unidimensional similares a los nanotubos de carbono.

«Hemos demostrado que a través de un origami de grafeno tan simple podemos realizar varias estructuras de grafeno como nanotubos de carbono y sus uniones intramoleculares, de las que generalmente sólo podemos aprender de los libros de texto», añade. Entre los campos que esperan beneficiarse de la precisión sin precedentes de su técnica de nanofabricación de origami de grafeno se encuentran los superconductores, los semimetales de Weyl y los materiales ferromagnéticos.

 

La prístina ventaja de una sola capa

La clave del éxito de su técnica es la calidad del grafeno que doblan. La mayoría de los experimentos anteriores que intentaban utilizar STM en el origami se realizaban en grafito con poco control sobre los pliegues como resultado. Como señala Gao, «Todos sabemos que es más fácil hacer el arte del plegado de papel con una sola hoja de papel, en comparación con el plegado de pilas de papeles».

Dicho esto, este no es el primer informe de manipulación de la sonda de exploración del grafeno. Hannes C. Schniepp y sus colegas reportaron el plegamiento del grafeno con una punta de microscopía de fuerza atómica en 2008. Su grafeno fue funcionalizado y el trabajo concluyó que «el comportamiento de plegado y doblado de las láminas está dominado por líneas de curvatura preexistentes (o incluso por fallas) que consisten en defectos y/o grupos funcionales». Trabajos posteriores de Kim Akius y Jan van Ruitenbeek en la Universidad de Leiden en los Países Bajos también operaron sobre el grafeno, pero «usando el prepatrón de una manera nueva, como plantilla para el plegado». Gao y sus colegas operan exclusivamente con grafeno prístino, dejando que el STM sea el único que dicte las direcciones y ángulos de plegado. Además, las manipulaciones del STM son tan delicadas que incluso el posterior despliegue y replegado en diferentes configuraciones no deja rastro de daño en la prístina estructura de la celosía cristalina.

Para producir nanoislas de un solo átomo bien controladas para sus experimentos, los investigadores bombardean grafito pirolítico altamente orientado con iones de hidrógeno durante 10 ciclos antes de recocerlos. Todo el procedimiento dura unas 10 horas en el vacío – el cordón azul del grafeno en lugar de la comida rápida – pero los investigadores se apresuran a señalar que, una vez que estos materiales de alta calidad están listos, «la tasa de éxito del origami de grafeno con la ayuda de STM es muy alta y reproducible, tal y como se demuestra en nuestro informe».

Partiendo de una sola capa de grafito, también les permite crear diferentes nanoestructuras de origami simplemente modificando la propia capa atómica, como por ejemplo haciendo una isla de grafito bicristal. En trabajos futuros, Gao y sus colegas esperan extender su demostración de la técnica a otros materiales 2D como el MoS2 y el nitruro de boro hexagonal.

Un patio de recreo para los nuevos descubrimientos

Las firmas del comportamiento de los electrones deslocalizados en las propiedades electrónicas de sus nanoestructuras son prueba de la alta calidad del cristal retenido a lo largo de las manipulaciones. En las estructuras trenzadas de grafeno de dos capas producidas por el plegado, los investigadores ya han demostrado las superredes de muaré que han atraído tanto estudio para comprender las propiedades electrónicas y magnéticas sintonizadas por torsión en el grafeno de dos capas cerca del ángulo mágico.

Además, las mediciones de corriente versus voltaje de las estructuras tubulares en el borde revelan las singularidades de van Hove características de las estructuras unidimensionales. Los investigadores también encuentran que la dirección del pliegue afecta las propiedades electrónicas de las estructuras tubulares, al igual que en el caso de los nanotubos de carbono, y detectan efectos tales como cambios máximos que pueden atribuir a las interacciones con el sustrato.

«Esta[técnica] puede permitirnos explorar y probar inmediatamente algunos conceptos nuevos de física y dispositivos que de otra manera no eran factibles en el pasado debido a los desafíos de fabricación», agrega.

 

Schniepp, quien dirigió el equipo detrás del primer informe de plegado de grafeno funcionalizado con una herramienta de microscopio de sonda de barrido, pero que no estaba involucrado en el trabajo actual, le dijo a Physics World lo mucho que le impresionó la alta calidad de este trabajo. «La precisión con la que doblan y despliegan repetidamente grafeno de una sola capa en ángulos arbitrarios es notable», dice. «Es un bello ejemplo de cómo las técnicas de sondas de escaneo no sólo permiten obtener imágenes, sino también manipular, controlar e ingeniar materiales a escala nanométrica o incluso atómica. Siempre me han intrigado las técnicas de sondas de escaneo y sus posibilidades, y este trabajo sólo empuja el estado del arte un poco más allá, lo que me inspira bastante».

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