Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Northwestern University y Stony Brook University tiene, por primera vez, creó una hoja bidimensional de boro, un material conocido como borofeno.

Los científicos se han interesado en materiales bidimensionales por sus características únicas, particularmente involucrando sus propiedades electrónicas. El borofeno es un material inusual porque muestra muchas propiedades metálicas a nanoescala a pesar de ser tridimensional, o a granel, el boro no es metálico y es semiconductor.

Debido a que el borofeno es metálico y atómicamente delgado, es prometedor para posibles aplicaciones que van desde la electrónica hasta la fotovoltaica, dijo el nanocientífico de Argonne Nathan Guisinger, quien dirigió el experimento. "Ninguna forma a granel de boro elemental tiene este comportamiento similar al del metal, " él dijo.

El estudio será publicado el 18 de diciembre por la revista Ciencias .

Como el carbono vecino de su tabla periódica, que aparece en la naturaleza en formas que van desde el humilde grafito hasta el precioso diamante, el boro tiene varias caras diferentes, llamados alótropos. Pero ahí es donde terminan las similitudes. Mientras que el grafito se compone de pilas de hojas bidimensionales que se pueden despegar una a la vez, no existe un proceso análogo para hacer boro bidimensional.

"Los borofenos son extremadamente intrigantes porque son bastante diferentes de los materiales bidimensionales previamente estudiados, "Dijo Guisinger." Y como no aparecen en la naturaleza, el desafío consistió en diseñar un experimento para producirlos sintéticamente en nuestro laboratorio ".

Aunque se conocen al menos 16 alótropos a granel de boro, los científicos nunca antes habían podido hacer una hoja completa, o monocapa, de borofeno. "Es solo en el pasado reciente que los investigadores han podido producir pequeños trozos de boro a nanoescala, "dijo Andrew Mannix, estudiante de posgrado de Northwestern y primer autor del estudio. "Este es un material completamente nuevo con propiedades interesantes que apenas estamos comenzando a investigar".

"El boro tiene una rica historia y una química muy complicada, "agregó Mark Hersam, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas McCormick de Northwestern, que ayudó a asesorar a Mannix. "Esto es algo que fácilmente podría no haber funcionado, pero Andy tuvo el coraje y la perseverancia para hacerlo realidad ".

Una de las características más inusuales del boro consiste en su configuración atómica a nanoescala. Mientras que otros materiales bidimensionales se ven más o menos como planos perfectamente lisos e incluso a nanoescala, el borofeno parece cartón ondulado, pandeo hacia arriba y hacia abajo dependiendo de cómo se unen los átomos de boro entre sí, según Mannix.

Las "crestas" de esta estructura parecida al cartón dan como resultado un fenómeno material conocido como anisotropía, en el que las propiedades mecánicas o electrónicas de un material, como su conductividad eléctrica, se vuelven dependientes direccionalmente. "Esta anisotropía extrema es rara en materiales bidimensionales y no se ha visto antes en un metal bidimensional, "Dijo Mannix.

Basado en predicciones teóricas de las características del borofeno, los investigadores también notaron que probablemente tiene una mayor resistencia a la tracción que cualquier otro material conocido. La resistencia a la tracción se refiere a la capacidad de un material para resistir la rotura cuando se separa. "Se sabe que otros materiales bidimensionales tienen una alta resistencia a la tracción, pero este podría ser el material más fuerte que hemos encontrado hasta ahora, "Dijo Guisinger.

El descubrimiento y la síntesis del borofeno fue ayudado por un trabajo de simulación por computadora dirigido por los investigadores de Stony Brook, Xiang-Feng Zhou y Artem Oganov, quien actualmente está afiliado al Instituto de Física y Tecnología de Moscú y al Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo. Oganov y Zhou utilizaron métodos de simulación avanzados que mostraron la formación de arrugas de la superficie corrugada.

"A veces los experimentadores encuentran un material y nos piden que resolvamos la estructura, y a veces hacemos predicciones primero y el experimento valida lo que encontramos, "Dijo Oganov." Los dos van de la mano, y en esta colaboración internacional tuvimos un poco de ambos ".

"La conexión que tenemos entre las instituciones nos permite lograr cosas que no podríamos hacer solos, "Añadió Hersam." Necesitábamos combinar la microscopía de efecto túnel con la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X y la microscopía electrónica de transmisión para obtener una vista de la superficie del material y verificar su espesor a escala atómica y sus propiedades químicas ".

A medida que crecieron la monocapa de borofeno, los investigadores descubrieron otra ventaja dentro de su técnica experimental. A diferencia de los experimentos anteriores que utilizaron gases altamente tóxicos en la producción de materiales a base de boro a nanoescala, este experimento involucró una técnica no tóxica llamada evaporación por haz de electrones, que esencialmente vaporiza un material de origen y luego condensa una película delgada sobre un sustrato; en este caso, boro sobre plata.

"Cuando hicimos nuestro trabajo teórico, Tenía dudas sobre la viabilidad de obtener boro bidimensional porque al boro le gusta formar racimos, y plancharlo en dos dimensiones pensé que sería un desafío, ", Dijo Oganov." Resultó que crecer en el sustrato era clave, porque resulta que el boro y la plata no reaccionan entre sí ".