Después de que el grafeno se produjo por primera vez en el laboratorio en 2004, miles de laboratorios comenzaron a desarrollar productos de grafeno en todo el mundo. Los investigadores quedaron asombrados por sus propiedades ligeras y ultrarresistentes. Diez años después, los científicos ahora buscan otros materiales que tengan el mismo nivel de potencial.

"Seguimos trabajando con grafeno, y hay algunas aplicaciones en las que funciona muy bien, "dijo Mark Hersam, la Cátedra Bette y Neison Harris en Excelencia Docente en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas McCormick de la Universidad Northwestern, que es un experto en grafeno. "Pero no es la respuesta a todos los problemas del mundo".

Parte de una familia de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición, El disulfuro de molibdeno (MoS2) se ha convertido en un material pionero para la exploración en el laboratorio de Hersam. Como el grafeno se puede exfoliar en láminas atómicamente delgadas. A medida que se adelgaza hasta el límite atómico, se vuelve fluorescente, haciéndolo útil para la optoelectrónica, como diodos emisores de luz, o dispositivos absorbentes de luz, como las células solares. MoS2 también es un verdadero semiconductor, lo que lo convierte en un excelente candidato para la electrónica, e históricamente se ha utilizado en catálisis para eliminar el azufre del petróleo crudo, que previene la lluvia ácida.

El desafío de Hersam fue encontrar una manera de aislar láminas atómicamente delgadas de este material prometedor a mayor escala. Durante los últimos seis años, su laboratorio ha desarrollado métodos para exfoliar capas delgadas de grafeno a partir de grafito, utilizando métodos basados ​​en soluciones.

"Pensaría que sería fácil hacer lo mismo con el disulfuro de molibdeno, ", dijo." Pero el problema es que, si bien la exfoliación es similar al grafeno, la separación es considerablemente más desafiante ".

La investigación de Hersam se describe en el artículo "Clasificación por espesor de dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales mediante ultracentrifugación en gradiente asistida por copolímeros, "que se publicó en la edición del 13 de noviembre de Comunicaciones de la naturaleza .

Para ordenar las capas de grafeno, Hersam utilizó la fuerza centrífuga para separar los materiales por densidad. Para hacer esto, él y su grupo agregaron el material a un tubo de centrífuga junto con un gradiente de solución a base de agua. Tras la centrifugación, las especies más densas se mueven hacia el fondo, creando capas de densidades dentro del tubo de centrífuga. El grafeno se clasifica en hojas de una sola capa hacia la parte superior, luego hojas bicapa, tricapa etcétera. Dado que el grafeno tiene una densidad relativamente baja, se clasifica fácilmente en comparación con los materiales de mayor densidad.

"Si utilizo exactamente el mismo proceso con disulfuro de molibdeno, su mayor densidad hará que se estrelle, ", Dijo Hersam." Excede la densidad máxima del gradiente, lo que requería una solución innovadora ".

Hersam necesitaba tomar el material intrínsecamente denso y reducir efectivamente su densidad sin cambiar el material en sí. Se dio cuenta de que este objetivo podría lograrse ajustando la densidad de las moléculas utilizadas para dispersar MoS2. En particular, el uso de dispersantes poliméricos más voluminosos permitió reducir la densidad efectiva de MoS2 en el rango del gradiente de densidad. De esta forma, las láminas de MoS2 flotaban en posiciones en capas en lugar de acumularse como el fondo del tubo de centrífuga. Esta técnica funciona no solo para MoS2, pero para otros materiales de la familia de los dicalcogenuros de metales de transición.

"Ahora podemos aislar una sola capa, bicapa o dicalcogenuros de metales de transición de tres capas de una manera escalable, ", Dijo Hersam." Este proceso nos permitirá explorar su utilidad en aplicaciones a gran escala, como la electrónica, optoelectrónica, catálisis, y células solares ".