Por muchos años, un equipo de investigadores de la Universidad de Texas en Dallas ha investigado varios materiales en busca de aquellos cuyas propiedades eléctricas podrían hacerlos adecuados para pequeños, transistores energéticamente eficientes para alimentar dispositivos electrónicos de próxima generación.

Recientemente encontraron uno de esos materiales, pero no era nada que nadie esperara.

En un artículo publicado en línea el 10 de marzo en la revista Materiales avanzados , El Dr. Moon Kim y sus colegas describen un material que, cuando se calienta a unos 450 grados Celsius, se transforma de un atómicamente delgado, hoja bidimensional en una matriz de nanocables unidimensionales, cada uno de unos pocos átomos de ancho.

Una imagen capturada en medio de una transformación parece una pequeña bandera de los Estados Unidos, y con falsos colores añadidos, es posiblemente la imagen más pequeña del mundo de Old Glory, Dijo Kim.

"La transición de fase que observamos, esta nueva estructura, no fue predicho por la teoría, "dijo Kim, el Profesor Distinguido Louis Beecherl Jr. de ciencia e ingeniería de materiales en UT Dallas.

Debido a que los nanocables son semiconductores, podrían usarse como dispositivos de conmutación, al igual que el silicio se usa en los transistores actuales para encender y apagar la corriente eléctrica en los dispositivos electrónicos.

"Estos nanocables son unas 10 veces más pequeños que los cables de silicio más pequeños, y, si se usa en tecnología futura, daría lugar a potentes dispositivos energéticamente eficientes, ", Dijo Kim. Los autores principales del estudio son Hui Zhu y Qingxiao Wang, estudiantes graduados en ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería e Informática Erik Jonsson.

¿Solo una fase?

Cuando ciertos materiales están sujetos a cambios en las condiciones externas, como temperatura o presión, pueden experimentar una transición de fase. Un ejemplo familiar es cuando el agua líquida se enfría para formar un sólido (hielo), o calentado para formar un gas (vapor).

Para muchos materiales, sin embargo, una transición de fase significa algo un poco diferente. A medida que cambian la temperatura y la presión externas, Los átomos de estos materiales se reorganizan y redistribuyen para formar un material con una estructura y composición diferentes. Estos cambios pueden afectar las propiedades del nuevo material, como la forma en que los electrones se mueven a través de él. Para los científicos interesados ​​en nuevas aplicaciones de materiales, comprender tales transiciones es primordial.

En la mayoría de los casos, un tipo de gráfico llamado diagrama de fase ayuda a los investigadores a predecir cambios estructurales y de propiedad en un material cuando se somete a una transición de fase.

Pero nada predijo lo que observó el equipo de Kim mientras realizaba experimentos con un material llamado ditelurida de molibdeno.

Nanoflags y nanoflores

Usando un microscopio electrónico de transmisión, los investigadores comenzaron con atómicamente delgado, láminas bidimensionales de ditelurida de molibdeno, un material compuesto por una capa de átomos de molibdeno y dos capas de átomos de telurio. El material pertenece a una clase llamada dicalcogenuros de metales de transición (TMD), que prometen reemplazar el silicio en los transistores.

"Queríamos comprender la estabilidad térmica de este material en particular, ", Dijo Kim." Pensamos que era un buen candidato para la nanoelectrónica de próxima generación. Por curiosidad, nos propusimos ver si sería estable por encima de la temperatura ambiente ".

Cuando aumentaron la temperatura por encima de los 450 grados Celsius, pasaron dos cosas.

"Primero, vimos que comenzaba a surgir un nuevo patrón que era estéticamente agradable a la vista, ", Dijo Kim. A lo largo de la superficie de la muestra, las filas repetidas, o rayas, de capas de ditelururo de molibdeno comenzaron a transformarse en formas que parecían pequeñas estrellas de seis puntas, o flores de seis pétalos.

El material estaba pasando a hexa-telururo de hexa-molibdeno, una estructura unidimensional similar a un alambre. La sección transversal del nuevo material es una estructura que consta de seis átomos centrales de molibdeno rodeados por seis átomos de telurio.

A medida que avanzaba la transición de fase, parte de la muestra seguía siendo "rayas" y parte se había convertido en "estrellas". El equipo pensó que el patrón se parecía a una bandera de Estados Unidos. Hicieron una versión en falso color con un campo azul detrás de las estrellas y la mitad de las rayas de color rojo, para hacer una "nanobandera".

No en los libros de texto

"Luego, cuando examinamos el material más de cerca, descubrimos que la transición que estábamos viendo de 'rayas' a 'estrellas' no estaba en ninguno de los diagramas de fase, "Dijo Kim." Normalmente, cuando calienta materiales particulares, espera ver emerger un tipo diferente de material como lo predice un diagrama de fase. Pero en este caso, sucedió algo inusual, formó una fase completamente nueva ".

Cada nanoalambre individual es un semiconductor, lo que significa que la corriente eléctrica que se mueve a través del cable se puede encender y apagar, Dijo Kim. Cuando muchos de los nanocables individuales se agrupan a granel, se comportan más como un metal, que conduce fácilmente la corriente.

"Querríamos usar los nanocables uno a la vez porque estamos empujando el tamaño de un transistor lo más pequeño posible, "Dijo Kim." Actualmente, el tamaño más pequeño del transistor es aproximadamente 10 veces más grande que nuestro nanoalambre. Cada uno de los nuestros tiene menos de 1 nanómetro de diámetro, que es esencialmente un alambre de escala atómica.

"Antes de que podamos poner en práctica este descubrimiento y hacer un dispositivo real, tenemos muchos más estudios por hacer, incluida la determinación de cómo separar los nanocables individuales, y superando los desafíos técnicos para la fabricación y la producción en masa, ", Dijo Kim." Pero esto es un comienzo ".