Hematene, creado por un equipo dirigido por la Universidad de Rice, es el primer material bidimensional que no es de van der Waals conocido. La imagen del electrón de transmisión muestra una sola hoja de hemateno. La barra de escala equivale a 0,5 micrones. Crédito:Shyam Sinha y Peter van Aken / Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, Stuttgart, Alemania
A raíz de su reciente descubrimiento de una forma plana de galio, Un equipo internacional dirigido por científicos de la Universidad de Rice ha creado otro material bidimensional que, según los investigadores, podría cambiar las reglas del juego para la generación de combustible solar. El científico de materiales de arroz Pulickel Ajayan y sus colegas extrajeron hemateno de 3 átomos de espesor del mineral de hierro común. La investigación se presentó hoy en un artículo en Nanotecnología de la naturaleza .
El hemateno puede ser un fotocatalizador eficaz, especialmente para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, y también podría servir como un material magnético ultrafino para dispositivos basados en espintrónicos, dijeron los investigadores.
"El magnetismo 2D se está convirtiendo en un campo muy interesante con los avances recientes en la síntesis de dichos materiales, pero las técnicas de síntesis son complejas y la estabilidad de los materiales es limitada, "Ajayan dijo." Aquí, tenemos un simple, método escalable, y la estructura del hemateno debe ser ambientalmente estable ".
El laboratorio de Ajayan trabajó con investigadores de la Universidad de Houston y en India, Brasil, Alemania y otros lugares para exfoliar el material de la hematita natural utilizando una combinación de sonicación, centrifugación y filtración asistida por vacío.
Ya se sabía que la hematita tenía propiedades fotocatalíticas, pero no son lo suficientemente buenos para ser útiles, dijeron los investigadores.
"Para que un material sea un fotocatalizador eficaz, debe absorber la parte visible de la luz solar, generar cargas eléctricas y transportarlas a la superficie del material para llevar a cabo la reacción deseada, "dijo Oomman Varghese, coautor y profesor asociado de física en la Universidad de Houston.
Un esquema muestra la disposición atómica de los átomos de hierro (azul) y oxígeno (blanco) en el hemateno, un material bidimensional que fue exfoliado de la hematita por primera vez por científicos de la Universidad de Rice y sus socios internacionales. Crédito:Cristiano Woellner y Douglas Galvao / State University of Campinas, Brasil
"La hematita absorbe la luz solar desde los rayos ultravioleta hasta la región amarillo-naranja, pero las cargas producidas son de muy corta duración. Como resultado, se extinguen antes de llegar a la superficie, " él dijo.
La fotocatálisis de hemateno es más eficiente porque los fotones generan cargas negativas y positivas dentro de unos pocos átomos de la superficie, dijeron los investigadores. Al emparejar el nuevo material con matrices de nanotubos de dióxido de titanio, que proporcionan una vía fácil para que los electrones abandonen el hemateno, los científicos descubrieron que podían permitir que se absorbiera más luz visible.
Los investigadores también descubrieron que las propiedades magnéticas del hemateno difieren de las de la hematita. Si bien la hematita nativa es antiferromagnética, las pruebas demostraron que el hemateno es ferromagnético, como un imán común. En ferromagnetos, Los momentos magnéticos de los átomos apuntan en la misma dirección. En antiferromagnetos, los momentos en átomos adyacentes se alternan.
A diferencia del carbono y su forma 2D, grafeno la hematita es un material que no es de van der Waals, lo que significa que se mantiene unido por redes de enlace 3D en lugar de interacciones de van der Waals atómicas comparativamente más débiles y no químicas.
Una imagen de microscopio electrónico de transmisión muestra hemateno bicapa y monocapa, exfoliado de hematita, un mineral de hierro común, por científicos de Rice University y sus socios internacionales. El material se muestra prometedor como catalizador para aplicaciones avanzadas de espintrónica y generación de combustible solar. La barra de escala equivale a 50 nanómetros. Crédito:Grupo de Investigación Ajayan / Universidad Rice
"La mayoría de los materiales 2D hasta la fecha se han derivado de contrapartes a granel que están en capas en la naturaleza y generalmente se conocen como sólidos de van der Waals, "dijo el coautor, el profesor Anantharaman Malie Madom Ramaswamy Iyer, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Cochin, India. "Los materiales 2D de precursores a granel que tienen redes de unión 3D (que no son de van der Waals) son raros, y en este contexto, el hemateno adquiere una gran importancia ".
Según el coautor Chandra Sekhar Tiwary, ex investigador postdoctoral en Rice y ahora profesor asistente en el Instituto Indio de Tecnología, Gandhinagar, los colaboradores están explorando otros materiales que no son de van der Waals por su potencial 2D.
