Los científicos están explorando el comportamiento de los electrones en tiras helicoidales de grafeno, una forma única de grafeno con forma retorcida.
El grafeno es un material conocido por sus muchas propiedades interesantes. Como una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal, su resistencia a la tracción es más de 100 veces mayor que la del acero, pero es increíblemente ligero, flexible y transparente. Además, el grafeno conduce la electricidad y el calor mejor que casi todos los materiales conocidos.
Gracias a sus propiedades únicas, el grafeno ha encontrado aplicación en muchas industrias y tecnologías, desde baterías hasta células solares, electrónica flexible, sensores y muchas otras. En la práctica, las láminas de grafeno suelen ser planas o cilíndricas. Sin embargo, dado el alcance cada vez mayor de su aplicación, sería útil comprender qué sucedería si la geometría de las láminas de grafeno se volviera más compleja, incluso si aún no se conocen los beneficios prácticos inmediatos de este cambio.
Una geometría potencialmente interesante en la física del estado sólido y de la materia condensada es una superficie helicoidal, que es una tira retorcida alrededor de un eje. Uno de los ejemplos más famosos de esta geometría en la naturaleza lo proporciona la doble hélice del ADN, que almacena información hereditaria en las células de los organismos vivos.
Relatividad general y nanocintas de grafeno
Gran parte de las propiedades de un material se rigen por los electrones que se mueven a través de él, por lo que para descubrir la física materialista, es necesario comprender la dinámica de estas partículas fundamentales.
Esta dinámica en una tira de grafeno helicoidal fue explorada teóricamente en un estudio reciente publicado en Analen der Physik por un grupo de teóricos de Perú y Brasil liderado por Ángel Obispo de la Universidad Tecnológica del Perú.
Hasta la fecha, las propiedades de los electrones en el grafeno se han estudiado ampliamente. Sin embargo, en el presente estudio, la forma de la tira es bastante compleja, lo que obligó a Obispo y sus colegas a modificar primero el marco matemático utilizado para calcular los detalles de la dinámica de los electrones.
Dado que trabajaron con una geometría curva, no es de extrañar que muchas de las herramientas matemáticas que usaron se extrajeran de la relatividad general, que trata la interacción gravitacional como una curvatura del espacio-tiempo, y generalmente se usa para describir la física de estrellas y galaxias o incluso la evolución de todo el Universo.
Esta relación entre teorías utilizadas para describir fenómenos e interacciones en escalas completamente diferentes es bastante común en física; por ejemplo, se utilizó recientemente para estudiar la propagación de ondas en un líquido superfluido para describir el universo en expansión.
Usando su teoría modificada de electrones en grafeno, el equipo pudo calcular muchas de las propiedades de la tira helicoidal del grafeno, siendo la más notable la densidad de electrones. En una tira plana, los electrones se distribuyen casi uniformemente, pero los cálculos de los físicos muestran que en una superficie helicoidal, los electrones prefieren estar lejos del eje del helicoide, y cuanto más se retuerce la tira, más fuerte es este efecto.
Un campo magnético aplicado
Además del efecto de la torsión de la tira en la física del electrón, los investigadores estaban interesados en la influencia de un campo magnético, que a menudo se presenta en aplicaciones prácticas. Aplicaron un campo distinto de cero dirigido a lo largo del eje del helicoide en su descripción teórica y descubrieron algunos efectos interesantes.
Una de ellas es que el campo magnético parece hacer que el grafeno sea más frágil y sus cálculos predicen que, bajo la influencia del campo magnético, la tira comienza a romperse en un ángulo de torsión más pequeño del helicoide.
Como con cualquier derivación teórica, estos hallazgos deben verificarse experimentalmente. Los autores del estudio creen que su teoría se puede probar en un futuro próximo y, si el experimento confirma la exactitud de sus conclusiones, podremos profundizar más en las propiedades del grafeno y tal vez incluso encontrar nuevas aplicaciones para él.
Referencia: CC Soares, AE Obispo, AG Jirón Vicente y LB Castro, Efectos de un campo magnético uniforme en nanocintas de grafeno retorcidasAnnalen der Physik (2023), DOI: 10.1002/andp.202200258
Crédito de la imagen destacada: nikitozawr en Pixabay
