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  • Un nuevo material bidimensional podría revolucionar la generación de combustible solar

    Crédito:AlexanderAlUS / Wikipedia / CC BY-SA 3.0

    Tras el aislamiento del grafeno en 2004, comenzó una carrera para sintetizar nuevos materiales bidimensionales. Se trata de sustancias de una sola capa con un grosor de entre un átomo y unos pocos nanómetros (mil millonésimas de metro). Tienen propiedades únicas ligadas a su dimensionalidad reducida y juegan un papel clave en el desarrollo de la nanotecnología y la nanoingeniería.

    Un grupo internacional de investigadores, incluidos científicos brasileños afiliados a la Universidad de Campinas (UNICAMP), han logrado producir un nuevo material con estas características.

    Los investigadores extrajeron un material 2-D que llaman hemateno del mineral de hierro ordinario. El material tiene solo tres átomos de espesor y se cree que tiene propiedades fotocatalíticas mejoradas. Esta innovación se describe en un artículo publicado en Nanotecnología de la naturaleza .

    "El material que sintetizamos puede actuar como fotocatalizador para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, para que se pueda generar electricidad a partir del hidrógeno, entre varias otras aplicaciones potenciales, "dijo Douglas Soares Galvão, uno de los autores del estudio y co-investigador principal en CCES.

    El nuevo material fue exfoliado de hematita, uno de los minerales más comunes en la Tierra y la principal fuente de hierro, cual es el metal mas barato, Se utiliza en muchos productos y sobre todo en la fabricación de acero.

    A diferencia del carbono y su grafeno en forma bidimensional, la hematita es un material que no es de van der Waals, lo que significa que se mantiene unida por redes de enlace 3-D en lugar de por interacciones de van der Waals atómicas comparativamente más débiles y no químicas, que son no covalentes (no implican que los átomos que participan en el enlace compartan uno o más pares de electrones).

    Debido a que es un mineral natural, tiene una alta orientación, cristales grandes y es un material que no es de van der Waals, los investigadores creen que la hematita es un excelente precursor para la exfoliación de nuevos materiales bidimensionales.

    "La mayoría de los materiales 2-D sintetizados hasta la fecha se obtuvieron a partir de muestras de sólidos de van der Waals. Los materiales 2-D que no son de van der Waals con capas atómicas muy ordenadas y granos grandes todavía son raros, "Dijo Galvão.

    El hemateno se sintetizó mediante la exfoliación en fase líquida del mineral de hematita en un disolvente orgánico, NORTE, N-dimetilformamida (DMF). La microscopía electrónica de transmisión confirmó la exfoliación y formación de hemateno en láminas individuales con un grosor de sólo tres átomos de hierro y oxígeno (monocapa) y en láminas bicapa apiladas al azar.

    Se realizaron pruebas y cálculos matemáticos para estudiar las propiedades magnéticas del hemateno. Los resultados mostraron que diferían de las propiedades magnéticas de la hematita. Si bien la hematita nativa es antiferromagnética, el hemateno es ferromagnético, como un imán común. En ferromagnetos, los dipolos son paralelos y alineados en la misma dirección. En antiferromagnetos, los dipolos son antiparalelos y están alineados en direcciones opuestas.

    "En ferromagnetos, los momentos magnéticos de los átomos apuntan en la misma dirección. En antiferromagnetos, los momentos en átomos adyacentes se alternan, "Explicó Galvão.

    Fotocatalizador eficiente

    Los investigadores también analizaron las propiedades fotocatalíticas del hemateno:su capacidad para aumentar la velocidad de una reacción química cuando se activa con la luz. Los resultados mostraron que la fotocatálisis por hemateno es más eficiente que la fotocatálisis por hematita, cuyas propiedades fotocatalíticas son bien conocidas pero no lo suficientemente fuertes como para ser útiles.

    Para que un material sea un fotocatalizador eficaz, debe absorber la parte visible de la luz solar, generar una carga eléctrica, y transportarlo a la superficie del material para realizar la reacción deseada.

    La hematita absorbe la luz solar desde el ultravioleta hasta la región amarillo-naranja, pero la carga que produce es de muy corta duración. Como resultado, se desvanece antes de llegar a la superficie.

    La fotocatálisis de hemateno es más eficiente porque los fotones generan cargas tanto negativas como positivas dentro de unos pocos átomos de la superficie, dijeron los investigadores. Al emparejar el nuevo material con matrices de nanotubos de dióxido de titanio, que proporcionan una vía fácil para que los electrones abandonen el hemateno, los científicos descubrieron que podían permitir que se absorbiera más luz visible.

    "El hemateno puede ser un fotocatalizador eficaz, especialmente para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, y también podría servir como un material magnético ultrafino para dispositivos basados ​​en espintrónicos, ", dijo el investigador de la FAPESP RIDC. La espintrónica (o magnetoelectrónica) es una nueva tecnología que se utiliza para almacenar, mostrar y procesar información basada en los cambios provocados por el espín de un electrón, que está acoplado directamente a su momento magnético.

    El grupo ha investigado otros materiales que no son de van der Waals por su potencial para dar lugar a otros materiales 2-D con propiedades exóticas. "Hay una serie de otros óxidos de hierro y sus derivados que son candidatos para originar nuevos materiales 2-D, "Dijo Galvão.


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