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(noticias nanowerk) Desde el descubrimiento del grafeno, el campo de investigación de materiales extremadamente finos, los llamados materiales 2D, ha aumentado exponencialmente. La razón de esto es que los materiales 2D tienen una gran superficie en relación con su volumen o peso. Esto crea una serie de fenómenos físicos y propiedades características, como buena conductividad, alta resistencia o resistencia al calor, que hacen que los materiales 2D sean interesantes tanto para la investigación básica como para aplicaciones.
“En una película de apenas un milímetro de espesor pueden haber millones de capas del material. Entre las capas pueden producirse muchas reacciones químicas, lo que significa que los materiales 2D pueden utilizarse, por ejemplo, para almacenar energía o producir combustible”, afirma Johanna Rosén, profesora de física de materiales en la Universidad de Linköping.
Proceso de tres pasos
La familia más grande de materiales 2D se llama MXenes. Los MXenes están hechos de un material de partida tridimensional llamado fase MAX. Se compone de tres elementos diferentes: M es un metal de transición, A es un elemento (del grupo A) y X es carbono o nitrógeno. La eliminación del elemento A con ácidos (pelado) crea un material bidimensional. Hasta la fecha, MXenes ha sido la única familia de materiales creada de esta forma.
Los investigadores de Linköping han introducido un método teórico para predecir otros materiales tridimensionales que podrían ser adecuados para su conversión en materiales 2D. También demostraron que el modelo teórico corresponde a la realidad.
Para tener éxito, los investigadores utilizaron un proceso de tres pasos. En el primer paso, desarrollaron un modelo teórico para predecir qué materiales de partida serían adecuados. Utilizando cálculos a gran escala en el Centro Nacional de Supercomputadoras, los investigadores pudieron identificar 119 materiales 3D prometedores a partir de una base de datos y una selección de 66.643 materiales.
De la teoría al laboratorio
El siguiente paso fue intentar fabricar el material en el laboratorio.
“De 119 materiales posibles, examinamos cuáles tenían la estabilidad química requerida y qué materiales eran los mejores candidatos. Primero tuvimos que sintetizar el material 3D, lo cual fue un desafío en sí mismo. «Finalmente obtuvimos una muestra de alta calidad a partir de la cual pudimos usar ácido fluorhídrico para eliminar y grabar ciertas capas atómicas», dice Jie Zhou, profesor asistente en el Departamento de Física, Química y Biología.
Los investigadores eliminaron el itrio (Y) del material de partida YRu.2Si2lo que condujo a la formación de Ru bidimensional2SiXohj.
Pero para confirmar el éxito en el laboratorio, es necesaria la verificación: el tercer paso. Los investigadores utilizaron el microscopio electrónico de transmisión y barrido Arwen de la Universidad de Linköping. Puede estudiar materiales y sus estructuras a nivel atómico. En Arwen, la espectroscopia también se puede utilizar para investigar de qué átomos se compone un material.
“Pudimos confirmar que nuestro modelo teórico funcionó bien y que el material resultante estaba formado por los átomos correctos. Después de pelarlo, las imágenes del material parecían las páginas de un libro. Es sorprendente que la teoría pueda llevarse a la práctica, ampliando así el concepto de pelado químico a más familias de materiales que MXenes”, afirma Jonas Björk, profesor asociado del Departamento de Diseño de Materiales.
Aplicaciones infinitas
El descubrimiento de los investigadores significa que hay muchos más materiales 2D a nuestro alcance con propiedades únicas. Estos, a su vez, pueden sentar las bases para una variedad de aplicaciones tecnológicas. El siguiente paso de los investigadores es explorar otros posibles materiales precursores y ampliar los experimentos. Johanna Rosén cree que las posibilidades de aplicación para el futuro son casi ilimitadas.
“En general, los materiales 2D han demostrado un gran potencial para una enorme cantidad de aplicaciones. Por ejemplo, puedes imaginar capturar dióxido de carbono o purificar agua. Ahora se trata de ampliar la síntesis y llevarla a cabo de forma sostenible”, afirma Johanna Rosén.
Esta investigación fue reportada en Ciencia (“Materiales bidimensionales mediante cálculos a gran escala y exfoliación química de sólidos estratificados”).
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