Por primera vez, los investigadores han demostrado que las membranas metálicas independientes que constan de una sola capa de átomos pueden ser estables en condiciones ambientales. Este resultado de un equipo de investigación internacional de Alemania, Polonia y Corea se publica en Ciencias el 14 de marzo 2014.

El éxito y la promesa del carbono atómicamente delgado, en el que los átomos de carbono están dispuestos en una red de panal, también conocido como grafeno ha provocado un enorme entusiasmo por otros materiales bidimensionales, por ejemplo, nitruro de boro hexagonal y sulfuro de molibdeno. Estos materiales comparten un aspecto estructural común, a saber, son materiales en capas que uno puede considerar como planos atómicos individuales que pueden separarse de su estructura tridimensional masiva. Esto se debe a que las capas se mantienen juntas mediante las denominadas interacciones de van der Waals, que son fuerzas relativamente débiles en comparación con otras configuraciones de enlace, como los enlaces covalentes. Una vez aisladas, estas capas atómicamente delgadas mantienen la integridad mecánica (es decir, son estables) en condiciones ambientales.

En el caso de metales a granel, su estructura cristalina es tridimensional, y por tanto no es una estructura en capas y además los enlaces de átomos metálicos son relativamente fuertes. Estos aspectos estructurales de los metales parecerían implicar la existencia de átomos metálicos como un material 2D independiente es poco probable. La formación de capas metálicas 2D atómicamente delgadas sobre otras superficies se ha demostrado previamente, sin embargo, en este caso, los átomos de metal interactúan con el sustrato subyacente. Por otra parte, Los enlaces metálicos no son direccionales y este hecho, junto con la excelente plasticidad de los metales a nanoescala, sugiere que las membranas independientes 2D atómicamente delgadas compuestas por átomos de metal podrían ser posibles. En efecto, esto es lo que un grupo internacional de investigadores con sede en Alemania, Polonia y Corea del Sur han demostrado ahora que es posible utilizar átomos de hierro. Aparte de la demostración de que los átomos de metal pueden formar membranas 2D independientes, existe un interés significativo en el potencial de tales materiales metálicos 2D, ya que se espera que tengan propiedades exóticas.

El grupo internacional de investigadores del Leibniz Institute Dresden (IFW), la Technische Universität Dresden, la Academia de Ciencias de Polonia, Universidad de Sungkyunkwan y el Centro de Física Integrada de Nanoestructuras, un Instituto de Ciencias Básicas (Corea) utilizó poros en grafeno monocapa para formar membranas gruesas de un solo átomo de hierro (Fe) 2D independientes. Para lograr esto, los investigadores aprovecharon la forma en que los átomos de Fe se mueven a través de la superficie del grafeno cuando son irradiados por electrones en un microscopio electrónico de transmisión (TEM). A medida que estos átomos se mueven por la superficie, si encuentran un borde de grafeno abierto, tienden a quedar atrapados allí.

Los investigadores pudieron mostrar, en el lugar, que una gran cantidad de átomos de Fe pueden quedar atrapados en un poro y, es más, configurarse de manera ordenada para formar un cristal con una celosía cuadrada. Se encontró que el espaciado entre átomos (constante de celosía) era en promedio de 2,65 ± 0,05 Å, que es significativamente mayor que el de la distancia del plano del índice de Miller (200) para la fase cúbica centrada en la cara (FCC) o la distancia del plano (110) para BCC Fe. Este resultado fue sorprendente, porque generalmente las celosías se encogen cuando tienen un número de coordinación más bajo, un proceso conocido como contracción de la superficie.

Los investigadores pudieron demostrar que el espaciado de celosía ampliado observado se debió a la tensión que surge debido al desajuste de la celosía en el borde del grafeno y la interfaz de la membrana de Fe. En efecto, pudieron observar la rejilla relajarse (contraerse) hacia el centro de las membranas. Las investigaciones teóricas de apoyo de los investigadores mostraron variaciones en la estructura de la banda de una membrana de Fe 2D en comparación con el Fe a granel. Las diferencias se debieron a que algunos orbitales de electrones se encuentran en un plano y otros están fuera de él, un efecto que no ocurre en 3D a granel Fe. Las investigaciones teóricas también confirmaron un resultado mostrado por cálculos teóricos previos de que las membranas de Fe 2D deberían tener un momento magnético significativamente mejorado.

La demostración de membranas 2D Fe es emocionante porque muestra que se pueden lograr materiales 2D independientes que no se obtienen de materiales a granel en capas y que dichos materiales 2D pueden ser estables en condiciones ambientales. La técnica desarrollada por los investigadores podría allanar el camino para la formación de nuevas estructuras 2D. Se puede esperar que estas nuevas estructuras 2D tengan propiedades físicas mejoradas que podrían tener potencial en una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, las propiedades magnéticas mejoradas del 2D Fe atómicamente delgado podrían hacerlos atractivos para los medios de grabación magnéticos. También pueden tener propiedades interesantes para aplicaciones fotónicas y electrónicas.