Muévase sobre el grafeno: los materiales 2D de próxima generación podrían revolucionar la tecnología

El maravilloso material de grafeno, una serie de átomos de carbono interconectados dispuestos en una lámina de solo un átomo de grosor, prometió un mundo de aplicaciones, que incluye electrónica súper rápida, sensores ultrasensibles y materiales increíblemente duraderos. Después de algunos falsos comienzos, esa promesa está cerca de realizarse. Y un conjunto de otras sustancias extremadamente delgadas sigue a su paso.

El grafeno comenzó en 2003, cuando los científicos de la Universidad de Manchester descubrieron que podían despegar una película de gasa del material simplemente tocando un trozo de cinta adhesiva ordinaria con un bloque de grafito purificado, la forma sólida de carbono que se mezcla con arcilla. y se usa como el "plomo" en la mayoría de los lápices. El grafeno demostró ser más fuerte que el acero pero extremadamente flexible, y los electrones podían atravesarlo a altas velocidades. Obtuvo a sus descubridores el Premio Nobel en 2010, pero los investigadores pasaron años luchando por fabricarlo a mayor escala y descubriendo cómo se podían utilizar mejor sus notables propiedades.

No lo entendieron de inmediato, dice Todd Krauss, químico de la Universidad de Rochester. "Los científicos son bastante malos para predecir lo que será útil en las aplicaciones", dice.

Con sus finas capas atómicas en capas diminutas conocidas como puntos cuánticos, el grafeno se probó como un sensor médico microscópico, pero no funcionó como se desea, dice Krauss. Con sus hojas enrolladas en nanotubos con forma de paja, el grafeno se convirtió en elementos como palos de hockey y bates de béisbol con la esperanza de que su resistencia y durabilidad pudieran mejorar la fibra de carbono existente. Pero Krauss señala que desde entonces ha habido una tendencia al uso de nanotubos en productos de consumo. (A algunos también les preocupa que los nanotubos de carbono largos puedan dañar los pulmones, ya que se ha demostrado que tienen cierto parecido químico con el asbesto).

Hoy el grafeno se está abriendo camino en diferentes tipos de productos. "El grafeno está aquí", dice Mark Hersam de la Universidad Northwestern. En capas sobre zinc, el óxido de grafeno se está desarrollando activamente como reemplazo, con una mayor capacidad de almacenamiento, para el grafito a veces poco confiable que ahora se usa en los ánodos de la batería. Y los nanotubos se usaron recientemente como transistores para construir un microprocesador , reemplazando el silicio (a diferencia del grafeno plano, los nanotubos pueden ser inducidos a actuar como un semiconductor). Aunque el microprocesador era primitivo según los estándares informáticos modernos, similar al nivel de procesamiento de un Sega Genesis, los científicos de materiales creen que en última instancia podría allanar el camino para componentes de carbono más eficientes, más rápidos y más pequeños para procesadores informáticos.

Al mismo tiempo, está surgiendo una nueva generación de materiales bidimensionales. El éxito del grafeno alimentó aún más el esfuerzo continuo para encontrar materiales útiles atómicamente delgados, trabajando con una gama de diferentes productos químicos, a fin de explotar las propiedades físicas que emergen en esas sustancias súper delgadas. Los recién llegados incluyen un aislante más eficiente que los convencionales para detener el movimiento de electrones, y otro que permite que los electrones se deslicen a través de él a un buen porcentaje de la velocidad de la luz, con poca fricción. Los investigadores piensan que algunos de estos podrían algún día reemplazar el silicio en chips de computadora, entre otros usos potenciales.

Otros materiales ahora en desarrollo tienen aspiraciones aún más altas, como el avance de los científicos hacia uno de los objetivos más atractivos de la química: la creación de superconductores de alta temperatura.

En el grafeno, los átomos de carbono se unen en un patrón de panal ordenado, cada átomo comparte electrones con tres átomos de carbono vecinos. Esa estructura permite que los electrones agregados se muevan rápidamente a través de su superficie. Normalmente, un solo electrón podría moverse a través de un metal conductor como el cobre a 1.2 pulgadas por minuto (dado un cable de calibre 12 con 10 amperios de electricidad). Pero en los primeros experimentos con grafeno, los electrones se deslizaron a 2,34 mil millones de pulgadas por minuto, lo que podría generar dispositivos electrónicos que se cargan en solo unos minutos y, finalmente, en cuestión de segundos .

Las propiedades físicas del grafeno han inspirado muchas aplicaciones potenciales, incluso en medicina. Se está estudiando una variante del grafeno, el óxido de grafeno, como vehículo experimental de suministro de fármacos. Visto aquí a través de un microscopio, este trozo de óxido de grafeno tiene aproximadamente 80 nanómetros de alto. Una sola hoja de grafeno tiene solo 0,34 nanómetros de espesor.

El grafeno conduce el calor tan bien como la electricidad. También es uno de los materiales más resistentes jamás estudiados, más fuerte que el acero, puede detener una bala, pero también es extrañamente elástico, lo que significa que es flexible y resistente.

Otros materiales 2D en exploración pueden tener atributos similares, así como cualidades novedosas, pero las impurezas químicas los han mantenido ocultos hasta hace poco, dice Angela Hight Walker, líder del proyecto en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, Maryland. "Ahora estamos llegando al punto en el que podemos ver la nueva física que ha sido cubierta por la mala calidad de la muestra", dice ella.

Uno de los recién llegados es el fósforo negro , explorado por Hersam y su coautor Vinod Sangwan en la Revisión anual de química física de 2018 . Cuando el fósforo blanco, una sustancia química cáustica y altamente reactiva, se sobrecalienta a alta presión, se convierte en un material conductor escamoso con un comportamiento similar al grafito. Al despegar una capa delgada de átomo de este fósforo negro con cinta adhesiva, se produce un material llamado fosforeno. Fabricado por primera vez en 2014, el fosforeno rivaliza con el grafeno en términos de fuerza y ​​capacidad para mover electrones de manera eficiente. Pero a nivel atómico, no es tan perfectamente plano como el grafeno, y eso tiene consecuencias intrigantes.

El fosforeno interactúa con electrones y fotones de manera peculiar, apuntando a usos potenciales en futuros chips de computadora y fibra óptica.

En el grafeno, los átomos de carbono se encuentran uno al lado del otro, de ahí su planitud. Pero la configuración 2D del fosforeno se parece un poco a un pliegue, con dos átomos en un nivel inferior conectados a dos en un nivel superior, formando lo que se llama un bandgap. Esta estructura ondulada, a su vez, afecta el flujo de electrones de una manera que convierte el fosforeno en un "semiconductor", lo que significa que es muy fácil activar o desactivar el flujo de electrones. El fosforeno, como el silicio, podría encontrar aplicación en chips de computadora, donde los electrones alternados representan 1s o 0s.

El fosforeno también es especialmente bueno para emitir o absorber fotones en longitudes de onda infrarrojas. Este truco óptico le brinda al fosfororeo un gran potencial para su uso en la comunicación por fibra óptica, dice Hersam, porque el intervalo de banda coincide con la energía de la luz infrarroja casi exactamente. También podría resultar muy útil en células solares.

Sin embargo, trabajar con fosforeno no es fácil. Es altamente inestable y se oxida rápidamente a menos que se almacene correctamente. "Literalmente, se descompondrá si está sentado en la habitación", dice Hight Walker, generalmente en menos de un minuto. Aplicarlo en capas con otros materiales 2D podría ayudar a proteger el frágil químico.

El boro parecería extraño para las aplicaciones electrónicas. Es mejor conocido como un fertilizante, un ingrediente en fibra de vidrio o (combinado con sal) un aditivo detergente para la ropa. Pero hágalo muy delgado y muy plano, y el boro comienza a actuar más como un metal, conduciendo electricidad fácilmente. El boro bidimensional, llamado borofeno, también es ultraflexible y transparente. Combinado con sus propiedades conductoras, la flexibilidad y la transparencia del borofeno podrían eventualmente convertirlo en un material de referencia para nuevos dispositivos, incluidas pantallas táctiles plegables y ultrafinas.

Al igual que el grafeno, la estructura del borofeno permite que los electrones vuelen a través de él. Es un conductor tan bueno que ahora se está estudiando como una forma de aumentar el almacenamiento de energía en las baterías de iones de litio. Algunos investigadores incluso piensan que podría ser inducido a estados superconductores a temperaturas relativamente altas, aunque todavía hace mucho frío (las pruebas iniciales muestran el efecto entre menos-415 y menos-425 grados Fahrenheit). La mayoría de los superconductores actuales funcionan cerca del cero absoluto, o casi menos -460 grados F. Un material superconductor permite que los electrones se muevan a través de él sin resistencia, creando el potencial para un dispositivo que logra hazañas electrónicas robustas mientras usa solo una pequeña cantidad de energía.

Nuevos materiales 2D

Los materiales 2D emergentes de fosforeno, borofeno y nitruro de boro forman películas delgadas. Sus disposiciones atómicas se ven aquí desde arriba y de perfil. (Crédito: modificado de VK Sangwan y MC Hersam / AR Physical Chemistry 2018)

En forma de borofeno, el boro puede conducir electrones como un metal. Sin embargo, como parte de una película 2D de nitruro de boro, puede bloquear el flujo de electrones con bastante eficacia. "En otras palabras, el boro 2D y el nitruro de boro [2D] están en los extremos opuestos del espectro de conductividad eléctrica", dice Hersam.

La propiedad aislante del nitruro de boro ha sido útil para la investigación de otros materiales 2D. Tome ese efímero fósforo negro: una forma en que los científicos han logrado mantenerlo lo suficientemente estable como para estudiarlo es intercalando entre dos láminas de nitruro de boro.

Sin embargo, a pesar de que está bloqueando los electrones, el nitruro de boro permitirá que pasen los fotones, dice el físico Milos Toth de la Universidad de Tecnología de Sydney, quien fue coautor de un artículo sobre el potencial del nitruro de boro y otros materiales 2D, en la Revisión anual de 2019 de Química Física . Eso es ideal para crear cosas llamadas fuentes de un solo fotón, que pueden emitir una sola partícula de luz a la vez y se usan en computación cuántica, procesamiento de información cuántica y experimentos de física.

Otro material atómicamente delgado que crea un gran revuelo en los círculos de la ciencia de los materiales es un compuesto de cromo y yodo llamado triyoduro de cromo. Es el primer material 2D que genera naturalmente un campo magnético. Los científicos que trabajan en triyoduro de cromo proponen que el material eventualmente podría encontrar usos en la memoria y el almacenamiento de la computadora, así como en propósitos más centrados en la investigación, como controlar cómo gira un electrón.

Hay un problema, dice Hersam: "Este material es extremadamente difícil de trabajar", porque es difícil de sintetizar e inestable una vez que está hecho. En este momento, la única forma de trabajar con él es a temperaturas extremadamente bajas, a menos-375 grados Fahrenheit y menos. Pero el nitruro de boro podría volver al rescate: algunas muestras de triyoduro de cromo se han conservado durante meses dentro de sándwiches de nitruro de boro.

Debido a sus propiedades quisquillosas, el triyoduro de cromo puede no terminar integrado en los dispositivos, dice Hight Walker. "Pero cuando comprendemos la física de lo que está sucediendo, podemos buscar este comportamiento magnético 2D en otros materiales". Ahora se están explorando varios materiales magnéticos 2D: los cristales de manganeso de capa única tejidos en un material aislante son una posibilidad.

Arreglar cualquiera de estas capas delgadas en algo utilizable puede, en última instancia, depender, literalmente, de cómo se apilan. Se superpondrían diferentes materiales superdelgados para que las propiedades inherentes a cada material puedan complementarse entre sí. "Tenemos aisladores, semiconductores, metales y ahora imanes", dice Hight Walker. "Esas son las piezas que necesitas para hacer casi todo lo que quieras".

Una aplicación potencial especialmente emocionante para Hight Walker es la computación cuántica. A diferencia de la informática tradicional, en la que los bits de información son unos o ceros, la computación cuántica permite que cada "qubit" de información sea uno y cero a la vez. En principio, esto permitiría a las computadoras cuánticas resolver rápidamente problemas que tomarían un tiempo increíblemente largo con máquinas convencionales.

Sin embargo, en este momento, la mayoría de los qubits están hechos de superconductores que deben mantenerse congelados, lo que limita su uso en el mundo real y motiva la búsqueda de nuevos tipos de materiales superconductores. Por esta razón, los investigadores están ansiosos por explorar la capacidad del borofeno para superconducir. (El grafeno, en capas de cierta manera, también ha demostrado posibles propiedades superconductoras).

Pero un material apilado que involucre varias capas superconductoras separadas por aisladores fuertes podría permitir qubits más pequeños y estables que no requieren temperaturas tan bajas, lo que podría reducir el tamaño total de las computadoras cuánticas. En este momento, estos son asuntos del tamaño de una habitación, al igual que las primeras computadoras. Reducir su tamaño requerirá enfoques novedosos y, posiblemente, materiales muy delgados: capas en capas pequeñas.

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John Wenz es productor digital en la revista Knowable. Su primer libro, The Lost Planets: Peter van de Kamp and the Vanishing Exoplanets around Barnard's Star , salió en octubre de 2019 de MIT Press.

Este artículo apareció originalmente en Knowable Magazine , un esfuerzo periodístico independiente de Annual Reviews.

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