Ajustando la adsorción sobre grafeno

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Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

La atracción de van der Waals tiene lugar cuando dos moléculas se aproximan lo suficiente como para inducirse mutuamente una polarización eléctrica. Un equipo de investigadores acaba de presentar una forma de ajustar la fuerza de van der Waals que ejerce el grafeno sobre una molécula. La técnica, que se basa en incorporar elementos extraños (dopantes) al grafeno en la parte que no va a estar en contacto con la molécula, podría emplearse para controlar la adsorción al grafeno de un amplio espectro de moléculas y nos acerca a uno de los grandes retos de la física de la materia condensada: el control eléctrico de la adsorción.

Que las características del grafeno son ajustables no es nada nuevo. Su estructura de bandas electrónicas con forma de cono permite controlar la energía potencial (o nivel de Fermi)de sus electrones simplemente añadiendo un electrodo o átomos dopantes. Tampoco es nuevo que el ajuste del nivel de Fermi pueda usarse para manipular la atracción iónica entre átomos y la superficie del grafeno. Lo que ha conseguido el equipo encabezado por Felix Huttmann y el español Antonio Javier Martínez Galera, ambos actualmente en la Universidad de Colonia (Alemania), es ampliar este control superficial a las interacciones más débiles, pero también más generales, de van der Waals.

Los investigadores produjeron una lámina de grafeno sobre un sustrato metálico y después añadieron bien átomos donantes de electrones (dopantes tipo n) o átomos aceptores de electrones (dopantes tipo p). En ambos casos los dopantes se colocaban entre la lámina de grafeno y el sustrato, dejando una superficie cien por cien grafeno expuesta al exterior.

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Para averiguar qué efecto tenían los dopantes sobre las fuerzas de van der Waals los investigadores expusieron el grafeno a moléculas de naftaleno y observaron su adsorción sobre la superficie usando un microscopio de efecto túnel. Una forma de medir la fuerza de las interacciones es calentar la muestra y medir a qué temperatura la molécula se separa de la superficie: cuanto mayor sea ésta más intensa es la fuerza que la mantiene unida.

Al calentar las muestras se pudo comprobar que la temperatura a la que el naftaleno se desorbía era más alta para los dopantes tipo n que para los tipos p, lo que implica que las fuerzas de van der Waals son mayores cuando los dopantes donan electrones. Cálculos teóricos posteriores sobre el modelo coincidieron con este con comportamiento. Según este modelo los donantes tipo n hacen que los orbitales electrónicos alrededor de los átomos de carbono se extiendan espacialmente, haciendo que los átomos sean más fácilmente polarizables.

Referencia:

F. Huttmann et al (2015) Tuning the van der Waals Interaction of Graphene with Molecules via Doping Phys. Rev Lett. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.236101

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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