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(Foco Nanowerk) Imagine un material que sea 100.000 veces más delgado que una hoja de papel, pero más resistente que el acero, más conductor que el cobre y que tenga el potencial de revolucionarlo todo, desde la electrónica hasta la energía. Este es el campo de los materiales bidimensionales (2D), un mundo fascinante donde las reglas ordinarias de la física y la química se están reescribiendo a nivel atómico.
Desde el innovador aislamiento en 2004 del grafeno, el primer material 2D compuesto por una sola capa de átomos de carbono, los investigadores han quedado fascinados por las extraordinarias propiedades que surgen cuando los cristales en masa se reducen a su forma más delgada posible. La inigualable resistencia, conductividad eléctrica y propiedades térmicas del grafeno rápidamente le valieron el sobrenombre de «material milagroso», lo que llevó a los científicos a buscar otras estructuras atómicamente delgadas con propiedades igualmente notables.
Esta exploración ha descubierto un tesoro escondido de materiales 2D, cada uno con sus propias propiedades únicas. Desde nitruro de boro hexagonal aislante y dicalcogenuros de metales de transición semiconductores, como el disulfuro de molibdeno, hasta exóticos sistemas magnéticos y superconductores 2D, estos materiales planos ofrecen una oportunidad sin precedentes para desarrollar funcionalidades novedosas a nivel atómico.
Las aplicaciones son tan diversas como transformadoras. En electrónica, los materiales 2D podrían permitir transistores ultrarrápidos de bajo consumo y pantallas transparentes y flexibles. Para el almacenamiento de energía, podrían dar lugar a baterías de alto rendimiento y células solares altamente eficientes. En el campo de la catálisis, los materiales 2D ofrecen enormes superficies y centros activos sintonizables para acelerar reacciones químicas. Y en el campo emergente de la computación cuántica, ciertos sistemas 2D exhiben estados exóticos de la materia que podrían formar la base de bits cuánticos resistentes al ruido.
Pero a pesar de la gran promesa, el camino desde el laboratorio hasta la preparación para el mercado de materiales 2D fue un desafío. Uno de los mayores obstáculos ha sido la dificultad de caracterizar y controlar con precisión su estructura atómica.
La disposición de los átomos, incluidos los límites de los granos y las orientaciones de los cristales, desempeña un papel crucial en la determinación de las propiedades eléctricas, ópticas, químicas y mecánicas de los materiales 2D. Históricamente, mapear esta microestructura ha sido un desafío abrumador.
Las principales herramientas para estudiar el paisaje atómico de los cristales 2D, como la microscopía electrónica de transmisión y la microscopía de efecto túnel, pueden resolver átomos individuales, pero sólo en áreas pequeñas. También tienden a ser lentos, costosos y requieren gran habilidad técnica para operar.
Otros métodos que aprovechan la reactividad selectiva de los límites de los granos, como la oxidación o la deposición de nanopartículas, pueden mapear rápidamente la posición de los granos en regiones más grandes. Sin embargo, sigue siendo difícil extraer las orientaciones de los cristales dentro de estos granos.
Fundamentalmente, todas estas técnicas de caracterización establecidas tienen un defecto crítico en común: dañan o contaminan irreversiblemente las sensibles muestras 2D. Esto inutiliza el material caracterizado para estudios posteriores o la fabricación del dispositivo, lo que limita gravemente la utilidad de la información estructural obtenida. Esta limitación ha obstaculizado el progreso en la investigación de materiales 2D durante años, ya que las herramientas utilizadas para analizarlas pierden la estructura y las propiedades de innumerables muestras.
Ahora un equipo de investigadores ha encontrado una ingeniosa solución a este enigma, descrita en un nuevo estudio publicado en la revista Materiales avanzados (“Escáner cristalográfico no destructivo de un solo átomo de espesor mediante montaje y desmontaje de Van der Waals en forma de nota adhesiva”). Al aprovechar las mismas fuerzas débiles de Van der Waals que mantienen unidas las capas de materiales 2D, han demostrado un método no destructivo para obtener imágenes integrales de la estructura del grano y las orientaciones de los cristales en grandes áreas, preservando al mismo tiempo la calidad prístina de la muestra original.
La innovación clave es utilizar como referencia un filtro compuesto por una sola capa de grafeno monocristalino de alta calidad con una orientación conocida. Se coloca una muestra desconocida, como una lámina de grafeno policristalino, encima de este filtro para formar una pila temporal. La interacción entre las dos capas cambia sus espectros de dispersión Raman de una manera que depende sensiblemente del ángulo de torsión relativo de sus redes cristalinas.
![Escaneado cristalográfico 2D mediante montaje y desmontaje vdW](https://www.nanowerk.com/spotlight/id65060_1.jpg)
Simplemente iluminando la pila con luz láser y recopilando la señal Raman, los investigadores pueden determinar la posición y orientación de los granos individuales en la muestra con una resolución submicrométrica. Los límites entre granos con diferentes orientaciones aparecen como cambios de color nítidos en las imágenes Raman. El equipo validó su enfoque correlacionando los ángulos de torsión derivados de Raman con mediciones directas mediante difracción de electrones.
Quizás el aspecto más destacable sea la reversibilidad que surge del débil enlace de Van der Waals entre las capas. Después de obtener imágenes, la muestra y el filtro de referencia se pueden separar fácilmente sin dejar residuos ni defectos, similar a una nota adhesiva. La caracterización exhaustiva de las capas separadas mediante microscopía de fuerza atómica, espectroscopía de fotoelectrones de rayos X y mapeo Raman confirmó que permanecen intactas durante el proceso.
Las implicaciones son profundas. Las muestras 2D que antes eran inaccesibles ahora se pueden escanear y luego utilizar para experimentos o aplicaciones adicionales, lo que aumenta significativamente su valor de investigación. Las mediciones de transporte en una película de grafeno policristalino mostraron una movilidad excelente que variaba de manera predecible con el número de límites de grano cruzados, lo que confirma que no hay degradación en el rendimiento.
Como demostración definitiva de reutilización, los autores realizaron ciclos repetidos en los que adjuntaron una muestra desconocida a su filtro de grafeno, mapearon su estructura de grano y luego separaron limpiamente las capas. El mismo filtro podría usarse una y otra vez para analizar muchas muestras diferentes sin comprometer su propia integridad estructural u óptica.
Si bien los resultados informados se centraron en el grafeno, el débil acoplamiento entre capas y las firmas Raman dependientes del ángulo son características comunes de muchos materiales 2D. Por lo tanto, este nuevo enfoque de “notas adhesivas” debería ser aplicable a una amplia gama de membranas atómicas. Investigaciones futuras podrían ampliar el concepto a pilas artificiales compuestas de varios bloques de construcción 2D.
Al superar las limitaciones destructivas de los métodos existentes, este trabajo abre la puerta a conocimientos profundos sobre las relaciones estructura-propiedad de los materiales 2D. Los investigadores ahora pueden acceder de forma rutinaria a los secretos cristalográficos ocultos en las capas atómicas y utilizar este conocimiento para crear materiales de diseño con tamaños de grano, formas y configuraciones de límites personalizados. Estas estructuras 2D diseñadas con precisión podrían ofrecer avances tan esperados en electrónica de próxima generación, compuestos ultrarresistentes, catalizadores de alta eficiencia y más.
Esta técnica añade una herramienta invaluable al conjunto de herramientas de caracterización de materiales 2D que es accesible, no destructiva y reutilizable. Al hacerlo, promete acelerar el desarrollo de nuevos materiales y dispositivos funcionales a partir del creciente número de bloques de construcción atómicamente delgados. Al descubrir los paisajes atómicos ocultos en cristales 2D sin sacrificar la muestra, este enfoque de notas adhesivas nos acerca un paso más a la tan soñada capacidad de diseñar materiales átomo por átomo.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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