Detectando la temperatura de burbujas de grafeno

Un equipo de investigadores del Centro de Materiales Multidimensionales de Carbono, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) ha medido y controlado la temperatura de burbujas de grafeno individuales con un solo rayo láser. El estudio se publicó en la revista Physical Review Letters.

La naturaleza altamente elástica y flexible del grafeno permite la creación de grandes burbujas estables, de una manera más o menos controlada. Se sabe que la tensión y la curvatura introducidas por las burbujas afinan las propiedades electrónicas, químicas y mecánicas de este material. Generalmente, las burbujas de grafeno son más reactivas que las de grafeno plano, por lo que podrían ser más propensas a ser adornadas con grupos químicos. Las burbujas podrían servir como pequeños reactores cerrados, y su superficie curva podría proporcionar un efecto de lente. Comprender cómo varía la temperatura dentro de las burbujas es un factor importante para varias aplicaciones.

"Si piensas que se podrían llevar a cabo reacciones químicas dentro de la burbuja o en la superficie de cada burbuja de grafeno, entonces el cambio de la distribución de la temperatura en una burbuja influirá significativamente en las reacciones que se produzcan", dice Yuan Huang, el primer autor del estudio.

En este estudio, las burbujas se forman en la interfaz entre una lámina de grafeno y un sustrato de sílice (SiO2/Si) en el que se encuentra. La superficie de SiO2 atrae algunas moléculas que se evaporan cuando se calientan, creando burbujas.

Como también predijeron los teóricos del equipo, Xiao Wang y Feng Ding, la temperatura oscila con la altura de la burbuja. Aunque cada burbuja tiene sólo varios micrómetros de ancho y alrededor de un micrómetro de alto, los científicos pudieron detectar una variación en la temperatura, no solo entre el centro y los bordes, sino también a diferentes alturas de la burbuja.

Las burbujas se forman cuando las moléculas quedan atrapadas entre la lámina de grafeno y el sustrato de sílice (SiO2/Si). La imagen muestra también el punto más caliente en rojo, que corresponde a la parte más alta de la burbuja. (Crédito: IBS)

Láser para calentar la burbuja de grafeno

Cuando una burbuja de grafeno se ilumina con un rayo láser, los rayos incidentes y reflejados se superponen formando una onda óptica estacionaria en la superficie. El aumento de la potencia del láser tiene el efecto de calentar selectivamente regiones específicas de la burbuja, que corresponden a la máxima interferencia de la onda óptica estacionaria. Los científicos del IBS detectaron los cambios locales de temperatura dentro de cada burbuja mediante espectroscopía Raman, una técnica estándar para medir las características y la morfología del grafeno.

"Las ondas estacionarias cerca de las superficies han sido ignoradas durante mucho tiempo y solo raramente se han observado de manera directa. Los resultados son sorprendentes. El rayo láser puede calentar eficientemente el grafeno, y podemos determinar la conductividad térmica en las burbujas de grafeno a partir de su distribución de temperatura", explica Wolfgang Bacsa, uno de los miembros del equipo, y científico visitante del CEMES-CNRS y la Universidad de Toulouse en Francia.

"Estos resultados confirman la alta conductividad térmica del grafeno previamente medida, demuestran la excelente adhesión alrededor del perímetro de la burbuja de grafeno, y proporcionan nuevas perspectivas sobre cómo calentar las burbujas de grafeno en lugares específicos", concluye Rod Ruoff, coautor y director del Centro de Materiales Multidimensionales de Carbono. "Cuanto más sepamos sobre las propiedades físicas de las burbujas de grafeno, más podremos utilizarlas de diferentes maneras".

Por ejemplo, una aplicación interesante podría ser la creación de hojas de grafeno con agujeros circulares, como un patrón de "lunares". Como el sobrecalentamiento de las burbujas hace que se revienten, los poros adornados con grupos químicos específicos podrían funcionar como filtros selectivos moleculares. Las propiedades únicas del grafeno nunca dejan de sorprender. (Fuente: NCYT Amazings)