Joshua Robinson recuerda el día en 2006 cuando se enteró de un material que es, para todos los propósitos prácticos, bidimensional.

En el momento, fue investigador postdoctoral en el Laboratorio de Investigación Naval en Washington, D.C. Su consejero, Eric Snow, estaba entusiasmado con el grafeno, una forma de carbono recién aislada. Un primo del ampliamente conocido buckminsterfullereno (o "buckyballs") y nanotubos de carbono, el grafeno era una hoja plana de solo un átomo de carbono de espesor. Los átomos estaban unidos en una estructura de seis lados, patrón de alambre de gallinero, formando una celosía con propiedades asombrosas. Era flexible transparente, y más fuerte que el acero. Conducía la electricidad mejor que el cobre y el calor mejor que cualquier otra cosa. En breve, el carbono en esta forma ya no se comportaba como carbono. Actuó como un material completamente nuevo.

El grafeno se hizo conocido como el primer modelo bidimensional o monocapa, material. En efecto, en un tercio de una mil millonésima parte de un metro de espesor, es lo más parecido a bidimensional que puede llegar a ser un objeto tangible. El grafeno es 300, 000 veces más delgado que el papel de impresora común. Si el papel era tan grueso como un edificio de seis pisos es alto, el grafeno sería el grosor del papel original.

Robinson estaba en una posición ideal para reconocer la importancia de los materiales bidimensionales (2D). Estaba trabajando con nanotubos de carbono, adaptándolos para detectar cantidades diminutas de sustancias en el aire, como las emitidas por armas químicas y artefactos explosivos.

"El grafeno era simplemente un nanotubo descomprimido, "dice Robinson, quien ahora es profesor asistente y miembro de la facultad de Corning en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Penn State. "Eric estaba tan emocionado que no pude evitar empezar a leer sobre el grafeno, e instantáneamente se enganchó:este 'nuevo material' parecía demasiado bueno para ser verdad ".

Escollos

Científicos, ingenieros y los inversores de todo el mundo se entusiasmaron con el grafeno, especialmente su potencial para revolucionar la electrónica. El término "post-silicio" se acuñó para describir esta nueva frontera, y en 2010 el descubrimiento y caracterización inicial del grafeno ganó el Premio Nobel de Física.

Pero la transición del descubrimiento a la aplicación práctica ha resultado no ser tan fácil. Aunque los científicos de materiales podrían crear una variedad de nuevos materiales 2D utilizando otros elementos y compuestos, no siempre podían predecir qué propiedades tendrían esos materiales. Los pequeños o incluso microscópicos trozos de monocapa eran difíciles de manipular y analizar, a pesar de su fuerza, se rompían fácilmente, y eran imposibles de fabricar a escala industrial.

Lo que necesitaba el campo era una comprensión más profunda de los materiales 2D y sus extrañas propiedades. Para asumir este desafío, en 2013, el Instituto de Investigación de Materiales de Penn State puso en marcha el Centro de materiales bidimensionales y en capas (2DLM). El centro reúne a unos 50 profesores, investigadores postdoctorales, y estudiantes de Penn State y otras instituciones de todo el país. Es el primer centro de investigación que se centra no solo en el grafeno, sino "más allá del grafeno, "según Robinson, director asociado del centro. "Realmente ha ayudado a atraer a algunos de los mejores profesores nuevos de la nación, así como muchos estudiantes de alto rendimiento ".

Bloques de construcción

El trabajo en el centro aborda varios temas generales, como encontrar nuevas formas de hacer materiales 2D y combinar monocapas hechas de diferentes compuestos, desarrollar técnicas para analizar nuevos materiales y sus propiedades, comprender cómo la arquitectura de un material en capas afecta sus propiedades, y transferencia de tecnología:búsqueda de patentes y búsqueda de productos comercialmente viables.

Los científicos aquí han creado nuevos materiales monocapa combinando una variedad de elementos, como tungsteno o molibdeno con azufre, galio o silicio con selenio, y boro con nitrógeno.

Las técnicas mejoradas para estudiar materiales 2D han hecho que sea más fácil predecir qué compuestos formarán monocapas y cómo podrían comportarse en esa forma. Como el grafeno estos materiales exhiben propiedades que no se ven en sus formas tridimensionales. Varios de ellos, como el disulfuro de molibdeno, disulfuro de tungsteno, y una forma de nitruro de boro, son semiconductores que ofrecen la promesa de una electrónica ultrapequeña. Algunos son fotoluminiscentes, absorbiendo la luz de una longitud de onda y enviando la energía de regreso a otra longitud de onda. Pueden convertirse en la base de una nueva generación de dispositivos que detectan o emiten luz.

Algunos productos basados ​​en monocapa ahora se están abriendo camino hacia aplicaciones comerciales.

"He visto, tocado y utilizado pantallas planas que utilizan grafeno como conductor, electrodo transparente, "dice Mauricio Terrones, profesor de física, química, y ciencia e ingeniería de materiales, y director del 2DLM. "Este podría ser el primer producto en el mercado. La ventaja del grafeno es hacer paneles planos flexibles, algo que no es posible hacer con la tecnología actual ".

En Penn State se están llevando a cabo importantes proyectos destinados a convertir estas tecnologías futuristas en realidades. La National Science Foundation (NSF) recientemente ofreció apoyo a tres de los proyectos del centro con más de $ 4 millones en becas de investigación. El grupo de Robinson está desarrollando un nuevo tipo de transistor post-silicio, abriendo el camino a la electrónica cada vez más pequeña. Joan Redwing, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, y su equipo están trabajando en formas de crear materiales bidimensionales a bajas temperaturas, hacer que la producción sea más factible para la industria y permitir que los materiales se formen sobre vidrio y plástico. Zhiwen Liu, profesor de ingeniería eléctrica, y Ana Laura Elias Arriaga, investigador asociado en física, están trabajando con colegas del Instituto Politécnico Rensselaer para desarrollar materiales en capas para su uso en tecnologías basadas en la luz.

Monocapas apilables

Terrones y Robinson creen que la clave del éxito en su campo será combinar diferentes tipos de monocapas. El grupo de Robinson ha trabajado con otros profesores e investigadores de Penn State en la Universidad de Texas en Dallas para inducir que diferentes materiales bidimensionales se formen directamente uno encima del otro.

"Al hacer esto, hemos podido lograr interfaces realmente limpias entre las capas, ", Dice Robinson." Esta es la clave para los circuitos nanoelectrónicos novedosos ".

Al igual que con los materiales en capas hechos de un solo compuesto, estos materiales "híbridos" a menudo muestran comportamientos inesperados y potencialmente útiles. Dos de estos materiales se fabricaron en el laboratorio de Pulickel Ajayan, miembro de 2DLM en Rice University, y luego enviado a Terrones para su análisis.

En un intento de fabricar los materiales a temperaturas más bajas que nunca, un avance que facilitaría la producción en masa, El equipo de Ajayan había provocado inadvertidamente que dos materiales familiares establecieran nuevas relaciones entre sí.

A una temperatura, El disulfuro de tungsteno formó una capa encima de una capa de disulfuro de molibdeno. En esta configuración, los materiales combinados funcionan como un transistor. A otra temperatura, los dos materiales formaron capas una al lado de la otra en el mismo plano.

"Es como tener dos tejidos diferentes unidos, pero en la articulación las dos telas son como una, "dice Terrones. En la configuración de borde a borde, la unión entre los dos tejidos es un lugar de encuentro donde los electrones y fotones pasan energía de un lado a otro.

"Ahora estamos descubriendo que estos materiales podrían tener usos importantes como fotosensores muy rápidos y sensibles o incluso como dispositivos emisores de luz, "Dice Terrones.

El salvaje oeste'

Con descubrimientos similares que ocurren casi semanalmente, han vuelto las predicciones de nuevos productos asombrosos. Esta vez, la emoción tiene una base sólida de ciencia básica, y esta vez, los científicos e ingenieros están mirando más allá del objetivo inicial de convertir el grafeno en un nuevo tipo de material semiconductor.

"Es probable que el grafeno y otros materiales 2D sean componentes importantes de los dispositivos electrónicos portátiles, ", dice Terrones." También preveo que veremos estos materiales en recubrimientos 'inteligentes' que cambian sus propiedades ante un estímulo externo. "Los recubrimientos 2D podrían combatir el óxido y las bacterias. Podrían servir como detectores sensibles de la calidad del aire. Incluso podrían desanimar percebes por ensuciar los cascos de los barcos Las posibilidades parecen ilimitadas.

Robinson está de acuerdo.

"Los materiales bidimensionales son mucho más que un reemplazo del silicio, ", dice." La clave de '2D' es que es como el Salvaje Oeste en este momento. Existe una cantidad casi inimaginable de aplicaciones potenciales por ahí. Pero primero debemos comprender sus propiedades básicas para poder identificar mejor qué aplicaciones se beneficiarán de estos nuevos materiales ".