Un equipo de EPFL y NCCR Marvel ha identificado más de 1, 000 materiales con una estructura 2-D particularmente interesante. Su investigación, publicado en Nanotecnología de la naturaleza , allana el camino para aplicaciones tecnológicas innovadoras.

Materiales 2-D, que constan de unas pocas capas de átomos, se consideran el futuro de la nanotecnología. Ofrecen nuevas aplicaciones potenciales y podrían utilizarse en pequeñas y medianas empresas. Dispositivos de mayor rendimiento y eficiencia energética. Los materiales bidimensionales se descubrieron por primera vez hace casi 15 años, pero hasta ahora solo se han sintetizado unas pocas docenas de ellos. Ahora, gracias a un enfoque desarrollado por investigadores del Laboratorio de Teoría y Simulación de Materiales (THEOS) de EPFL y de NCCR-MARVEL para Diseño Computacional y Descubrimiento de Materiales Nuevos, se pueden identificar muchos más materiales bidimensionales prometedores. Su trabajo fue publicado recientemente en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

El primer material 2-D aislado fue el grafeno, en 2004, ganando a sus descubridores un Premio Nobel en 2010. Esto marcó el comienzo de una era completamente nueva en la electrónica, como el grafeno es ligero, transparente y resistente y, sobre todo, un buen conductor de electricidad. Allanó el camino para nuevas aplicaciones en campos como la fotovoltaica y la optoelectrónica. "Para encontrar otros materiales con propiedades similares, nos centramos en la viabilidad de la exfoliación, "explica Nicolas Mounet, investigador del laboratorio THEOS y autor principal del estudio. "Pero en lugar de colocar tiras adhesivas sobre grafito para ver si las capas se despegaban, como hicieron los ganadores del Premio Nobel, utilizamos un método digital ".

Los investigadores desarrollaron un algoritmo para revisar y analizar cuidadosamente la estructura de más de 100, 000 materiales 3-D registrados en bases de datos externas. De esto, crearon una base de datos de alrededor de 5, 600 materiales 2-D potenciales, incluyendo más de 1, 000 con propiedades particularmente prometedoras. En otras palabras, han creado un tesoro para los expertos en nanotecnología.

Para construir su base de datos, los investigadores utilizaron un proceso de eliminación paso a paso. Primero, identificaron todos los materiales que se componen de capas separadas. "Luego estudiamos la química de estos materiales con mayor detalle y calculamos la energía que se necesitaría para separar las capas, centrándose principalmente en materiales donde las interacciones entre átomos de diferentes capas son débiles, algo conocido como unión de Van der Waals, "dice Marco Gibertini, investigador de THEOS y segundo autor del estudio.

De los 5, 600 materiales inicialmente identificados, los investigadores destacaron 1, 800 estructuras que potencialmente podrían exfoliarse, incluyendo 1, 036 que parecía especialmente fácil de exfoliar. Esto representa un aumento considerable en el número de posibles materiales 2-D conocidos en la actualidad. Luego seleccionaron los 258 materiales más prometedores, categorizándolos según su magnetismo, electrónico, mecánico, propiedades térmicas y topológicas.

"Nuestro estudio demuestra que las técnicas digitales realmente pueden impulsar el descubrimiento de nuevos materiales, "dice Nicola Marzari, el director de NCCR-MARVEL y profesor en THEOS. "En el pasado, los químicos tenían que empezar de cero y seguir probando cosas diferentes, lo que requirió horas de trabajo de laboratorio y cierta cantidad de suerte. Con nuestro enfoque, podemos evitar tanto tiempo, proceso frustrante porque tenemos una herramienta que puede identificar los materiales que vale la pena seguir estudiando, permitiéndonos realizar una investigación más centrada ".

También es posible reproducir los cálculos de los investigadores gracias a su software AiiDA, que describe el proceso de cálculo para cada material descubierto en forma de flujos de trabajo y almacena la procedencia completa de cada etapa del cálculo. "Sin AiiDA, Habría sido muy difícil combinar y procesar diferentes tipos de datos, "explica Giovanni Pizzi, investigador senior de THEOS y coautor del estudio. "Nuestros flujos de trabajo están disponibles para el público, para que cualquier persona en el mundo pueda reproducir nuestros cálculos y aplicarlos a cualquier material para averiguar si se puede exfoliar ".