Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), en un estudio publicado recientemente en la revista Physical Review Letters, explican el origen de un exótico comportamiento del grafito. Los resultados revelan que los escalones de grafito no presentan carácter ferromagnético.
Imagen típica y mapas del potencial eléctrico y magnético de la superficie de un cristal de grafito (detalles en el texto). Imagen: UAM, ICMM.
Bien conocido por sus propiedades como lubricante sólido, o por encontrarse como principal componente de la mina de los lápices, el grafito todavía sigue escondiendo el origen de algunas de sus propiedades físicas. Constituido únicamente por átomos de Carbono, su estructura se compone de delgadas láminas, de espesor atómico, conocidas como grafeno —el Premio Nobel de Física de 2010 ha tenido como principal motivo el aislamiento individual de estas láminas—.
Durante los últimos diez años, el grafito ha sido protagonista de un gran número de publicaciones científicas al descubrirse en él evidencias de un inesperado comportamiento ferromagnético, similar al de un imán permanente, en regiones localizadas de tamaño nanométrico asociadas con defectos de la red cristalina que lo forma.
En octubre de 2009, un grupo de investigadores de la Universidad técnica de Eindhoven y la Universidad Radboud de Nijmegen en Holanda, parecía haber encontrado la clave de dicho comportamiento. Según ellos, a lo largo de los escalones monoatómicos en la superficie del grafito, formados por una gran cantidad de defectos a escala atómica, se observaba una clara e inequívoca señal ferromagnética.
Sin embargo, los experimentos anteriores no son concluyentes, dado que sigue sin resolver el conocido problema para separar los campos eléctricos de los magnéticos en la nanoescala. El estudio de estas interacciones es fundamental para la Nanotecnología, ya que son el origen de las fuerzas que gobiernan el mundo de lo pequeño, pues en esas dimensiones la gravedad, que nos es tan familiar, es despreciable.
Cuatro investigadores de la UAM (David Martínez-Martín, Miriam Jaafar, Rubén Pérez y Julio Gómez-Herrero) junto con la investigadora Agustina Asenjo, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), consiguieron desarrollar una nueva metodología que permite, por fin, la separación correcta de las interacciones eléctricas y magnéticas en sistemas nanoscópicos.
Desenmascarar el comportamiento del grafito
Para desenmascarar el comportamiento magnético del grafito, los investigadores se valieron de un dispositivo experimental que integra de forma simultánea (1) la microscopía de fuerza atómica, (2) la microscopía de sonda Kelvin y (3) la microscopía de fuerza magnética.
La primera es la encargada de adquirir la información topográfica superficial de la muestra en estudio. La segunda, sensible únicamente a los campos eléctricos, determina con gran exactitud el campo eléctrico local asociado a un punto determinado de la topografía; y crea un campo eléctrico igual pero de sentido opuesto al existente, de manera que el campo eléctrico resultante es nulo.
La microscopía de fuerza magnética, por su parte, determina con altísima sensibilidad el campo magnético en esa región del espacio. Toda esta instrumentación se encuentra en el interior de una campana de alto vacío, lo cual consigue aumentar muy eficazmente sus límites de detección.
Los resultados del estudio, publicados recientemente por la revista Physical Review Letters, han desvelado que los escalones de grafito no presentan carácter ferromagnético. El trabajo confirma también que la señal observada a lo largo de los escalones de grafito es independiente del campo magnético externo aplicado, corroborando la naturaleza no magnética de la señal observada en tales defectos cristalinos.
Además, los investigadores han señalado que un gran número de las evidencias que se pueden encontrar en la literatura, son el resultado de confundir interacciones eléctricas con interacciones magnéticas. El equipo confía en que el método permitirá avanzar en el conocimiento de los muchos procesos que tienen lugar a escalas atómica y molecular.
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Explicación de la imagen:
a): Imagen típica (obtenida con un microscopio de fuerza atómica) de tamaño 3 µm x 3 µm de la superficie de un cristal de grafito. La superficie no es perfecta y se observan con claridad terrazas con forma de escalones. Los bordes de estas terrazas son los defectos cristalinos que han motivado tanto interés en la comunidad científica. b) Mapa del potencial eléctrico de la superficie mostrada en “a”, adquirido mediante la microscopía de sonda kelvin. Las zonas brillantes corresponden a los defectos cristalinos (bordes de los escalones), los cuales presentan un potencial eléctrico diferente al resto de la superficie. Estas diferencias de potencial eléctrico se han confundido en un gran número de ocasiones con interacciones magnéticas. c) Mapa magnético de la superficie “a” medido simultáneamente con “b” utilizando la microscopía de fuerza magnética. La ausencia de señal en este mapa descarta el posible comportamiento ferromagnético del grafito.
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