El material más resistente conocido por la humanidad se descubrió por primera vez con cinta adhesiva. Hoy dia, esta versión bidimensional (2-D) del carbono conocida como grafeno es objeto de una intensa investigación en todo el mundo. Muchos esperan que sus propiedades únicas puedan conducir a avances en campos que van desde la electrónica hasta la medicina.

Por 2-D queremos decir que está hecho de una sola capa de átomos. En el caso del grafeno, estos están dispuestos en un patrón hexagonal que ayuda a que sea increíblemente fuerte. También conduce electricidad y calor a niveles sin precedentes, es impermeable a los gases y puede ser frágil y dúctil.

Sin embargo, aunque el grafeno ha recibido una atención increíble y ganó un premio Nobel a sus descubridores, ya no está solo en el mundo de los materiales 2-D. Desde entonces se han predicho y aislado muchos otros materiales similares, cada uno con propiedades estructurales similares al grafeno, pero también una variedad de características individuales únicas.

De hecho, Hay tantos materiales 2-D con una variedad tan amplia de propiedades que podemos usarlos de manera efectiva para diseñar y construir nuevos materiales 3-D con las características exactas que queremos. Esta idea de un "conjunto de Lego" a escala atómica crea posibilidades potencialmente infinitas para nuevas sustancias.

Teóricamente casi cualquier material 3-D puede tener una contraparte 2-D. La lista hasta ahora incluye:silicene (una sola capa de silicio), fosforeno (una sola capa de fósforo negro), y varias monocapas de compuestos químicos conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMDC), tales como disulfuro de molibdeno (MoS₂) y ditelururo de molibdeno (MoTe₂). Se están investigando probablemente docenas de métodos para aislar estos materiales. Los dos métodos principales utilizados son la exfoliación mecánica, que fue el método que se utilizó por primera vez para producir grafeno mediante el aislamiento de capas individuales con cinta adhesiva, y el crecimiento efectivo de una capa bidimensional de cristales directamente sobre una base plana.

En la práctica, sin embargo, existen muchas limitaciones a lo que es posible actualmente. Solo los materiales altamente estables térmica y químicamente pueden separarse en monocapas, que descuenta inmediatamente muchos elementos. Y, una vez aislado, muchas monocapas metálicas en particular tienden a corroerse u oxidarse de una manera que destruye sus propiedades deseadas.

Una vez que tenga un material 2-D, A continuación, puede superponerlo con otras sustancias de propiedades químicas muy diferentes para crear "heteroestructuras". Por ejemplo, podemos combinar semiconductores con imanes, o metales con superconductores. La lista de posibles combinaciones crece exponencialmente.

Estos se pueden adaptar con precisión atómica utilizando microscopios de túnel de barrido. Estos métodos implican generar una corriente eléctrica entre una superficie y la punta de la sonda atómicamente fina para recoger y mover átomos individuales. Una de esas heteroestructura 2-D que se ha realizado en el laboratorio combina monocapas atómicas de grafeno y nitruro de boro hexagonal (h-BN).

Funcionalidades completamente nuevas

Tanto los materiales 2-D como las heteroestructuras ya han encontrado muchas aplicaciones reales y potenciales en una amplia gama de áreas. Por ejemplo, el grafeno ha hecho posible el sueño de "imprimir" circuitos sobre bases de plástico flexibles, al menos en un laboratorio. En el futuro, esto podría conducir a productos de consumo como televisores flexibles, teléfonos inteligentes y dispositivos portátiles más fáciles de usar.

El descubrimiento de una multitud de otros materiales 2-D ha abierto formas casi infinitas de combinar diferentes propiedades, lo que podría mejorar o acelerar enormemente el desarrollo de estas aplicaciones. Por ejemplo, El uso de h-BN como base para la electrónica de grafeno en lugar del dióxido de silicio tradicional podría mitigar algunos de los problemas con la tecnología. Debido a que las monocapas de h-BN son ultraplanas y se pueden aislar de la misma manera que el grafeno, es posible eliminar los defectos atómicos en la base que interfieren con las propiedades de la hoja de grafeno.

Es más, los avances en la investigación de materiales 2-D están permitiendo una nueva forma de hacer que los procesadores de computadoras sean aún más rápidos; algo que se considera vital para mantener el progreso de la tecnología electrónica. Los chips de computadora hacen sus cálculos usando una gran cantidad de transistores, cada uno de los cuales funciona moviendo electrones entre diferentes capas de material semiconductor. Tener más de un tipo de material 2-D significa que puede usarlos para hacer que cada una de las diferentes capas de semiconductores tenga un solo átomo de espesor. A medida que los transistores se vuelven más pequeños, más de ellos se pueden colocar en cada chip de computadora, y esto conduce naturalmente a la producción de procesadores más rápidos.

También pudimos ver el grafeno y otros materiales bidimensionales utilizados para ayudar a generar y almacenar energía. Por ejemplo, Se pueden utilizar heteroestructuras basadas en grafeno para ayudar a crear células solares y de combustible altamente eficientes y flexibles. Estas heteroestructuras también se están utilizando para desarrollar baterías y supercondensadores de próxima generación, que prometen una carga más rápida y una mayor producción de energía. Los científicos incluso han logrado crear versiones 2-D de materiales que anteriormente habían sido imposibles, como una versión 2-D del mineral perovskita, que podría usarse para mejorar los LED.

Con el crecimiento de los coches eléctricos y empresas como Tesla que nos llevan hacia un futuro de soluciones de almacenamiento y conversión de energía más ecológicas, seguramente habrá un gran enfoque en este tipo de tecnología en el futuro previsible.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.