Simulación atomística de manipulación e irradiación de grafito y grafeno

Resumen

Grafeno es el nombre que recibe una única capa de átomos de una estructura de grafito. Es decir, una lámina de grosor atómico con átomos de carbono dispuestos de forma hexagonal. Debido al teorema de Mermin-Wagner, no se contemplaba la existencia de materiales de carácter bidimensional debido a inestabilidades termodinámicas, pero fue en 2004 cuando los investigadores Andre Geim y Konstantin Novoselov, contra todo pronóstico y de una manera casi fortuita, consiguieron aislar y caracterizar experimentalmente este material. logro que les valió el Premio Nobel de Física en el 2010. Desde entonces, se han hallado diversas formas de sintetizar grafeno, aunque todavía no se ha dado con la manera óptima para su industrialización. El descubrimiento de esta singularlámina bidimensional atrajo inmediatamente el interés de la comunidad científica gracias a la gran cantidad de excelentes propiedades que posee: es a la vez ligero, flexible, transparente, buen conductor y se trata de uno de los materiales más duros existentes, entre otras de sus virtudes. Debido a toda esta colección de propiedades y de sus potenciales aplicaciones en la industria, el grafeno se ha situado en el punto de mira de ciertas líneas de investigación puntera en el área de la Ciencia de Materiales, tanto en estudios experimentales como en trabajos teóricos. Esta tesis consiste en un trabajo teórico mediante simulaciones computacionales acerca de la manipulación e irradiación de estructuras como el grafito y el grafeno, con el fin de indagar un poco más en las formas de sintetizar grafeno y con la finalidad de profundizar el entendimiento de una de las propiedades más importantes y destacables de este material: sus propiedades mecánicas. El contenido de esta tesis ha sido motivado principalmente por unos experimentos de electroexfoliación de grafeno a partir de grafito utilizando la punta de un STM que tuvieron lugar en el LTNanoLab de la Universidad de Alicante (UA) y también por unos experimentos de irradiación y nanoindentación de grafeno que se realizaron en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), donde obtuvieron el interesante resultado de que una membrana de grafeno con muy bajo porcentaje de imperfecciones provocaba que la dureza de este material se viera notablemente incrementada. La investigación recogida en este manuscrito contribuye a la interpretación de estos resultados experimentales gracias a un estudio atomístico mediante simulaciones de dinámica molecular clásica. Además, también aporta una ampliación del conocimiento del tipo de defectos que se producen en grafeno mediante irradiación de diversos rangos de energía, así como un nuevo método de identificación de los mismos empleando teoría de grafos. Por último, esta tesis estudia las propiedades elásticas del grafeno y su relación con las diferentes condiciones a las que se podrá someter el material, tales como deformarlo, irradiarlo o modificar su temperatura, y de cómo estos resultados podrán emplearse para modificar de manera controlada las propiedades mecánicas de este material.