La humedad explica las discrepancias en la adhesión medida en materiales bidimensionales

Un equipo de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha medido en condiciones de ultra alto vacío la adhesión entre puntas de silicio y superficies de grafeno, disulfuro de molibdeno (MoS₂) y óxido de silicio. Los resultados muestran que incluso cantidades muy pequeñas de humedad ambiental pueden elevar considerablemente los valores obtenidos y explican por qué las medidas publicadas hasta ahora difieren tanto entre laboratorios.

El trabajo, publicado en Advanced Science, proporciona valores de referencia para estudiar las fuerzas que mantienen unidos los materiales bidimensionales. Estos datos pueden servir para contrastar modelos teóricos y comprender mejor procesos tecnológicos como la transferencia controlada de capas, la fabricación de heteroestructuras o el desarrollo de superficies con fricción ultrabaja.

Según los investigadores, la gran dispersión observada en la literatura científica no se debe necesariamente a que las propiedades del grafeno o del MoS₂ varíen entre muestras. Una parte importante de esas diferencias puede proceder de la humedad y de otros contaminantes presentes durante los experimentos.

Una propiedad difícil de medir

Los materiales bidimensionales, como el grafeno o el MoS₂, se mantienen unidos entre sí y a otras superficies mediante fuerzas de van der Waals. Aunque estas interacciones son relativamente débiles, resultan fundamentales para fabricar heteroestructuras, transferir capas de un sustrato a otro o conseguir condiciones de fricción ultrabaja.

Su intensidad se describe mediante la constante de Hamaker, un parámetro que, en principio, debería estar bien definido para cada combinación de materiales. En la práctica, sin embargo, los valores experimentales varían considerablemente, incluso entre estudios realizados sobre un mismo material.

El equipo de la UAM, en colaboración con la Universidad de Murcia, planteó que buena parte de esta dispersión no respondía a diferencias intrínsecas entre las muestras, sino a las condiciones en las que se realizaban las medidas.

Entre los factores que podrían alterar los resultados se encuentran la rugosidad de las superficies, los residuos generados durante la transferencia de los materiales y, especialmente, el agua y otros adsorbatos. Es decir, sustancias que se depositan sobre las muestras cuando entran en contacto con el aire.

Medidas en condiciones ultralimpias

Para aislar la interacción propia de los materiales, los investigadores trabajaron en una cámara de ultra alto vacío, con una presión aproximadamente un billón de veces inferior a la atmosférica. En su interior estudiaron muestras de grafeno de pocas capas y de MoS₂ depositadas sobre óxido de silicio.

Las medidas se realizaron con un microscopio de fuerzas atómicas desarrollado en la UAM y adaptado a estas condiciones experimentales. Tanto las muestras como las puntas de silicio se limpiaron dentro de la propia cámara para evitar una nueva exposición al ambiente.

Las muestras se calentaron de manera controlada hasta los 200 °C, mientras que las puntas se trataron con ozono y plasma de oxígeno. Estos procedimientos permitieron eliminar residuos orgánicos sin alterar la geometría de las puntas.

El equipo utilizó puntas con radios de 20, 60 y 100 nanómetros, calibradas y verificadas después de los experimentos mediante microscopía electrónica de barrido. Además, combinó dos técnicas independientes para comprobar la fiabilidad de las medidas.

La primera, la espectroscopía de fuerzas estática, registra el momento en que la punta se separa de la muestra. La segunda, la microscopía de fuerza atómica sin contacto y modulada en frecuencia, mide la interacción sin que la punta llegue a tocar la superficie. La coincidencia entre ambos métodos permitió validar la magnitud de las fuerzas obtenidas.

Con este protocolo, los investigadores calcularon constantes de Hamaker de referencia para tres sistemas: 12 × 10⁻²⁰ julios para grafeno y óxido de silicio; 13 × 10⁻²⁰ julios para MoS₂ y óxido de silicio; y 6,1 × 10⁻²⁰ julios para dos superficies de óxido de silicio.

Estos valores se situaron sistemáticamente en el extremo inferior de los publicados hasta ahora y coincidieron con predicciones teóricas recientes basadas en la teoría de Lifshitz, que relaciona las fuerzas de van der Waals con la respuesta dieléctrica de los materiales.

La humedad multiplica la adhesión

Para comprobar hasta qué punto la humedad alteraba los resultados, el equipo repitió las medidas en condiciones ambientales, variando de forma controlada la humedad relativa. Los experimentos abarcaron desde condiciones de ultra alto vacío hasta un 95% de humedad en ambiente, antes de devolver nuevamente las muestras al vacío.

La adhesión medida en el aire llegó a ser hasta diez veces superior a la registrada en ultra alto vacío. Este incremento se debía a la formación de diminutos meniscos de agua entre la punta y la superficie y la posible presencia de hidrocarburos fisisorbidos en la superficie, que añadían una fuerza extra a la interacción propia de los materiales.

El efecto apareció incluso en ambientes que habitualmente se considerarían muy secos. Con solo un 3 % de humedad relativa, la adhesión medida ya superaba en un 50 % el valor de referencia obtenido en condiciones limpias de ultra alto vacío.

Cuando las muestras se introdujeron de nuevo en el vacío y se repitió el proceso de limpieza, la adhesión recuperó sus valores iniciales. Esto demuestra que el efecto es reversible y que se debe al agua y a otros contaminantes depositados sobre las superficies, no a cambios permanentes en los materiales.

Los resultados ofrecen así una explicación experimental a las discrepancias entre estudios anteriores y establecen una base más fiable para analizar la adhesión en materiales bidimensionales. También muestran que controlar la humedad y la limpieza de las superficies es imprescindible para distinguir las propiedades intrínsecas de los materiales de los efectos provocados por el entorno.

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Referencia bibliográfica:

Gallego-Fuente, D., Colchero, J., Gómez-Herrero, J., Ares, P. "Hamaker Constants of van der Waals Materials under Clean-Interface Conditions." Advanced Science, 2026, e76609. https://doi.org/10.1002/advs.76609

Más información:  UAM Gazette