Una colaboración internacional de investigadores ha utilizado simulaciones por computadora para encontrar la delgadez mínima de una losa de sal para que se rompa en capas similares al grafeno. Basado en la simulación por computadora, derivaron la ecuación para el número de capas en un cristal que producirá películas ultrafinas con aplicaciones en nanoelectrónica. Sus hallazgos estaban en El diario de las letras de la química física .

De 3-D a 2D

El grosor monoatómico único del grafeno lo convierte en un material atractivo y útil. Su celosía de cristal se asemeja a un panal, ya que los enlaces entre los átomos constituyentes forman hexágonos regulares. El grafeno es una capa única de un cristal de grafito tridimensional y sus propiedades (así como las propiedades de cualquier cristal 2D) son radicalmente diferentes de su contraparte 3D. Desde el descubrimiento del grafeno, Se ha dirigido una gran cantidad de investigación a nuevos materiales bidimensionales con propiedades intrigantes. Las películas ultrafinas tienen propiedades inusuales que podrían resultar útiles para aplicaciones como la nanoelectrónica y la microelectrónica.

Estudios teóricos anteriores han sugerido que las películas con una estructura cúbica y enlaces iónicos podrían convertirse espontáneamente en una estructura grafítica hexagonal en capas en lo que se conoce como grafitización. Para algunas sustancias, esta conversión se ha observado experimentalmente. Se predijo que la sal de roca NaCl podría ser un compuesto con tendencias a la grafitización. La grafitización de compuestos cúbicos podría producir estructuras nuevas y prometedoras para aplicaciones en nanoelectrónica. Sin embargo, ninguna teoría ha explicado este proceso con un compuesto cúbico arbitrario ni ha hecho predicciones sobre su conversión en capas de sal similares al grafeno.

Para que se produzca la grafitización, las capas de cristal deben reducirse a lo largo de la diagonal principal de la estructura cúbica. Esto daría como resultado que una superficie de cristal estuviera hecha de iones de sodio y la otra de iones de cloruro. Es importante tener en cuenta que los iones positivos y negativos, y no los átomos neutros, ocupan los puntos reticulares de la estructura. Esto genera cargas de signos opuestos en las dos superficies. Siempre que las superficies estén alejadas entre sí, todos los cargos se cancelan, y la losa de sal muestra preferencia por una estructura cúbica. Sin embargo, una película suficientemente fina da lugar a un gran momento dipolar debido a las cargas opuestas de las dos superficies cristalinas. La estructura busca deshacerse del momento dipolar, lo que aumenta la energía del sistema. Para hacer las superficies de carga neutra, el cristal sufre una reordenación de átomos.

Experimento vs modelo

Para estudiar cómo varían las tendencias de grafitización según el compuesto, los investigadores examinaron 16 compuestos binarios con la fórmula general AB, donde A representa uno de los cuatro metales alcalinos litio Li, sodio Na potasio K y rubidio Rb. Estos son elementos altamente reactivos que se encuentran en el Grupo 1 de la tabla periódica. La B en la fórmula representa cualquiera de los cuatro halógenos flúor F, cloro cl bromo br y yodo I. Estos elementos están en el Grupo 17 de la tabla periódica y reaccionan fácilmente con los metales alcalinos.

Todos los compuestos de este estudio tienen varias estructuras, también conocidas como rejillas o fases cristalinas. Si la presión atmosférica aumenta a 300, 000 veces su valor normal, otra fase (B2) de NaCl (representada por la parte amarilla del diagrama) se vuelve más estable, efectuando un cambio en la red cristalina. Para probar su elección de métodos y parámetros, los investigadores simularon dos redes cristalinas y calcularon la presión que corresponde a la transición de fase entre ellas. Sus predicciones concuerdan con los datos experimentales.

¿Qué tan delgado debería ser?

Todos los compuestos dentro del alcance de este estudio pueden tener una forma hexagonal, Fase G "grafítica" (el rojo en el diagrama) que es inestable en el volumen 3-D pero se convierte en la estructura más estable para películas ultrafinas (2-D o cuasi-2-D). Los investigadores identificaron la relación entre la energía superficial de una película y el número de capas en ella tanto para estructuras cúbicas como hexagonales. Graficaron esta relación trazando dos líneas con diferentes pendientes para cada uno de los compuestos estudiados. Cada par de líneas asociadas con un compuesto tiene un punto común que corresponde al espesor crítico de la losa que hace que la conversión de una estructura cúbica a una hexagonal sea energéticamente favorable. Por ejemplo, Se encontró que el número crítico de capas estaba cerca de 11 para todas las sales de sodio y entre 19 y 27 para las sales de litio.

Basado en estos datos, los investigadores establecieron una relación entre el número crítico de capas y dos parámetros que determinan la fuerza de los enlaces iónicos en varios compuestos. El primer parámetro indica el tamaño de un ion de un metal dado:su radio iónico. El segundo parámetro se llama electronegatividad y es una medida de la capacidad del átomo para atraer los electrones del elemento B. Una mayor electronegatividad significa una atracción más poderosa de electrones por parte del átomo, una naturaleza iónica más pronunciada del enlace, un dipolo de superficie más grande, y un espesor de losa crítico menor.

Pavel Sorokin, jefe del Laboratorio de Simulación de Nuevos Materiales en TISNCM dice, "Este trabajo ya ha atraído a nuestros colegas de Israel y Japón. Si confirman nuestros hallazgos de forma experimental, este fenómeno [de grafitización] proporcionará una ruta viable para la síntesis de películas ultrafinas con aplicaciones potenciales en nanoelectrónica ".

Los científicos tienen la intención de ampliar el alcance de sus estudios examinando otros compuestos. Creen que las películas ultrafinas de diferente composición también podrían sufrir una grafitización espontánea, produciendo nuevas estructuras en capas con propiedades que son aún más intrigantes.