Nuevo material 2D que podría reemplazar al grafeno

Un físico de la Universidad de Kentucky, EE.UU., trabajando en colaboración con otros científicos de Alemania y Grecia, ha descubierto un nuevo material plano de un átomo de grosor que podría desbancar al grafeno en su condición de “material maravilla” y originar grandes avances en el campo de las tecnologías digitales.

 

Nuevo material 2D que podría reemplazar al grafeno

 
El nuevo material se compone de silicio, boro y nitrógeno –los tres, elementos ligeros, baratos y abundantesy es extremadamente estable, una propiedad de la que carecen muchas otras alternativas al grafeno.

En la investigación han participado: Madhu Menon, físico del Centro de Ciencias Computacionales de la Universidad de Kentucky; Ernst Richter, de Daimler, en Alemania; y Antonis Andriotis, antiguo investigador postdoctoral del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Kentucky, que ahora se encuentra en el Instituto de Láseres y estructuras electrónicas (IESL), en Grecia.

Utilizando cálculos teóricos punteros, Menon y sus colaboradores han demostrado que, combinando esos tres elementos, es posible obtener un verdadero material 2D de un átomo de espesor, con propiedades que se pueden ajustar con una gran precisión para adaptarlas a diferentes aplicaciones y que van más allá incluso de lo que permite el grafeno.

El grafeno está considerado el material más resistente del mundo y posee muchas propiedades únicas, que le han dado el apodo de “material maravilla” por sus amplias posibilidades de aplicación en numerosos campos. Sin embargo, carece de una propiedad muy importante para el sector de las tecnologías digitales: no es semiconductor.

La necesidad de buscar nuevos materiales 2D semiconductores llevó a los investigadores a investigar una nueva clase de materiales de tres capas, llamados dicalcogenuros de metales de transición (TMDC, por sus siglas en inglés). Estos TMDC son, en su mayoría, semiconductores y permiten crear procesadores digitales mucho más eficientes que los fabricados con silicio. Sin embargo, son mucho más voluminosos que el grafeno y se componen de materiales que no siempre son baratos y abundantes.

En búsqueda de un material alternativo mejor que, además de semiconductor, fuese más ligero, abundante y barato, el equipo dirigido por Menon estudió diferentes combinaciones de elementos de la primera y segunda fila de la tabla periódica, dado que, si bien hay muchas maneras de combinar el silicio, el boro y el nitrógeno para formar estructuras planas, sólo una disposición específica de estos elementos dio como resultado una estructura estable.

“Utilizamos simulaciones para ver si los enlaces se rompían o desintegraban, pero no sucedió”, señaló Menon. “Incluso calentamos el material hasta alcanzar 1.000 grados centígrados y aún así no se rompieron”.

Al igual que en el grafeno, en esta nueva estructura, los átomos se disponen en un patrón hexagonal, pero ahí termina la similitud. Los tres elementos que conforman el nuevo material tienen diferentes tamaños; y los enlaces que conectan los átomos son también diferentes. Como resultado, los lados de los hexágonos formados por esos átomos también son desiguales, a diferencia de los del grafeno.

Madhu Menon, físico de la Universidad de Kentucky, EE.UU.

El nuevo material es metálico, pero se puede convertir en semiconductor fácilmente enlazando otros elementos en los átomos de silicio.

Además, la presencia de silicio podría facilitar una integración perfecta con la tecnología actual, basada en este elemento, lo que permitiría a la industria abandonar el silicio poco a poco, de forma progresiva, en lugar de tener que eliminarlo por completo de repente.

“Sabemos que la tecnología basada en silicio está llegando a su límite, porque estamos poniendo cada vez más componentes juntos y fabricando procesadores electrónicos cada vez más compactos”, dijo Menon. “Pero sabemos que esto no puede durar indefinidamente; necesitamos materiales más inteligentes”.

Por otra parte, además de crear un intervalo de banda electrónica, la adición de otros elementos se puede aprovechar para cambiar, de forma selectiva, los valores de ese intervalo de banda; una clara ventaja con respecto al grafeno en campos como la conversión de la energía solar y otras aplicaciones electrónicas.

En los últimos años se han propuesto otros materiales como alternativa al grafeno, pero en su mayoría carecen de las ventajas del nuevo material descubierto por Menon y su equipo. El siliceno, por ejemplo, no tiene una superficie plana y acaba formando una superficie 3D, mientras que otros materiales se han mostrado altamente inestables, durando algunos apenas unas horas como máximo.

Los cálculos teóricos de la investigación se llevaron a cabo en los ordenadores del Centro de Ciencias Computacionales de la Universidad de Kentucky.

El siguiente paso es tratar de crear el material en el laboratorio, para lo cual el equipo de Menon está colaborando ya con un equipo dirigido por Mahendra Sunkara, del Conn Center for Renewable Energy Research de la Universidad de Louisville, EE.UU.. Este equipo ya ha colaborado anteriormente con Menon en más de una ocasión.

“Estamos muy ansiosos por crearlo en el laboratorio”, señaló Menon. “La prueba definitiva de cualquier teoría es la verificación experimental, por lo que cuanto antes mejor”.

En el artículo, publicado en la revista especializada Physical Review B, se describen algunas de las propiedades del nuevo material, como su capacidad para formar varios tipos de nanotubos. No obstante, Menon espera que surjan otras nuevas en posteriores estudios.

 
“Este descubrimiento abre un nuevo capítulo en la ciencia de los materiales, ofreciendo a los investigadores nuevas oportunidades de explorar la flexibilidad funcional y otras propiedades necesarias para nuevas aplicaciones”, añadió Menon. “Podemos esperar algunas sorpresas”.

Fuente: reveal.uky.edu

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