Una forma de carbono recién creada en una malla de solo un átomo de grosor está seduciendo a los científicos con indicios de que podría mejorar drásticamente las baterías recargables y permitir cables tan pequeños que puedan operar a una escala donde fallan los metales. El material, conocida como red de bifenileno, es altamente conductivo y puede resultar capaz de almacenar más energía eléctrica que incluso el grafeno, el material de nido de abeja de carbono de espesor atómico identificado hace casi 20 años.

En Mayo, Los científicos anunciaron que han podido adaptar la disposición de los átomos de carbono en una malla que, por primera vez, incluye hexágonos, cuadrados y octágonos, mientras se asegura que el material tenga un solo átomo de espesor.

La nueva disposición geométrica en dos dimensiones se suma a la lista de estructuras de carbono, o alótropos, como el grafito, diamante y grafeno. Pero los científicos han descubierto que tiene propiedades electrónicas muy diferentes. Tiene sentido comparar el nuevo material con el grafeno, donde los átomos de carbono se unen en una sola capa de hexágonos para formar una malla con asombrosas características eléctricas y térmicas, así como una excelente resistencia mecánica, y, sin embargo, es muy transparente.

La investigación de laboratorio sobre el nuevo material en la Universidad de Marburg en Alemania y la Universidad Aalto en Finlandia ha encontrado que las cintas de la red de bifenileno de unos pocos átomos de ancho se comportan eléctricamente como un metal. Eso da una pista de que el material puede desarrollarse para fabricar cables conductores en circuitos electrónicos basados ​​en carbono.

"Si toma nanocintas de grafeno de ancho similar, entonces son típicamente semiconductores y este bifenileno es más fácilmente un metal, "dijo Peter Liljeroth, profesor en el departamento de física aplicada de la Universidad de Aalto. Eso podría hacer que el material sea útil como conductor a nanoescala en futuros dispositivos electrónicos, añadió. Él y su equipo hicieron sus hallazgos utilizando una técnica de imagen llamada espectroscopia de túnel de barrido para escrutar tiras de red de bifenileno de hasta 21 átomos de ancho. Esas cintas fueron hechas por el grupo del profesor Michael Gottfried en el departamento de química física de la Philipps-Universität Marburg, en Alemania.

El equipo de Marburg desarrolló la ruta de síntesis para este material. Hicieron cadenas moleculares que contienen carbono en arreglos específicos que se juntan en una superficie ultra suave, Superficie de oro no reactiva. Y luego otro paso, denominado HF-zip, une las cadenas para formar las tiras de red de bifenileno.

Potencial eléctrico

El análisis de muestras a mayor escala podría ayudar a demostrar si un ánodo de bifenileno podría aumentar la eficiencia de las baterías de iones de litio. comúnmente utilizado en teléfonos móviles y vehículos eléctricos. "Si tiene bifenileno a granel o multicapa ... entonces existen predicciones teóricas de que la capacidad de almacenamiento de litio debería ser mayor, mucho más alto, que por el grafeno, "Dijo el Dr. Liljeroth.

Si se confirma, eso haría que el material fuera enormemente atractivo en recargables. Pero el profesor Liljeroth enfatiza que hay un largo camino por recorrer antes de que tales propiedades puedan potencialmente aprovecharse en aplicaciones industriales o de consumo.

Un desafío en la fabricación de bifenileno a granel es aumentar la precisión del proceso de síntesis de unir tiras o cintas de bifenileno de calidad suficiente para formar láminas más grandes. sin partes del material que por defecto se conviertan en grafeno a medida que los átomos de carbono se agregan y se unen.

Si bien los investigadores de Aalto pudieron identificar las propiedades eléctricas del material de Marburg, otras características de la red de bifenileno permanecen sin explorar. Todavía se necesita investigación para precisar su mecánica, cualidades térmicas y ópticas. Para hacer eso, ayudaría tener muestras más grandes.

Alambres de carbono

Las propiedades conductoras metálicas confirmadas ya apuntan a la posibilidad de conducir cables para electrónica a la escala más pequeña.

Los alambres hechos de metales como el cobre generalmente se degradan en espesores atómicos a través de un proceso de electromigración, donde los electrones en movimiento pueden desplazar átomos y dañar los alambres. que se vuelven inestables y eventualmente se rompen.

Un material como la red de bifenileno podría ayudar a evitar estas dificultades en los circuitos electrónicos, trabajando como un metal en la conducción de electrones, pero sin los inconvenientes. Eso haría conductores más estables, permitiendo el uso de cables más pequeños en la electrónica a nanoescala.

"Este es uno de los problemas que hay que superar o solucionar, y los materiales a base de carbono son bastante buenos a este respecto, "Dijo el profesor Liljeroth.

Pero añadió una nota clara de precaución:"Hay muchos, muchos pasos entre ahora y el uso real de esto en un microprocesador ".

Estas propiedades, y otros aún por identificar, podría proporcionar campos ricos para la exploración y el desarrollo, al igual que la nueva forma de producir la propia red de bifenileno.

El profesor Liljeroth enfatizó el potencial del enfoque de cierre de alta frecuencia utilizado por el equipo del profesor Gottfried para fabricar otras estructuras de carbono.

El equipo de Marburg utilizó precursores químicos a base de carbono que contienen hidrógeno y flúor para "comprimir" diferentes cadenas de carbono atómico. En lugar de utilizar el grafeno, la forma más básica en la superficie, el paso adicional consistió en adaptar químicamente los bordes de las cintas que se unen para formar la red de bifenileno.

"Lo que espero que salga de este trabajo es que la gente empiece a pensar en este tipo de proceso de compresión HF para hacer nuevos materiales, (así) puedes empezar con el mismo concepto, modificar los precursores y terminar con otra red de carbono 2D, "Añadió el profesor Liljeroth.

Dado que el material se ha producido hasta ahora sobre una superficie de oro, otro desafío es perfeccionar la transferencia de la red de bifenileno fuera del metal. Esa es una tarea en la que los investigadores pueden extraer lecciones del trabajo realizado con el grafeno, un material en el que el trabajo en curso también ofrece algunos otros indicadores para el desarrollo de la red de bifenileno.

"Yo diría que hay mucho potencial ... ahora que han demostrado que estas estructuras son factibles, son estables, al menos en estas condiciones, "dijo el profesor Roman Fasel, quien dirige el Laboratorio de nanotecnología @ superficies en los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA) y no participó en la investigación.

"Esto va a ser realmente difícil de ampliar, " él dijo, pero agregó que el trabajo en grafeno había demostrado que era posible progresar desde las partículas más pequeñas de material a escalas viables.

"Una dirección es optimizar la síntesis para lograr una red 2D de área grande, digamos para electrodos y cosas así, pero la otra sería encontrar una manera de hacer nanocintas bien definidas, por lo que solo la variante 1-D del material, " él dijo.

Uno de los principales desafíos a los que se enfrenta el bifenileno es identificar las propiedades que lo convierten en una opción obvia para aplicaciones futuras, conocidas en términos informáticos como una 'aplicación asesina', donde es mucho mejor que sus rivales. así como más fácil y económico de hacer.

Después de todo, la gente ha estado trabajando en el grafeno durante casi dos décadas y, aunque exhibe muchas propiedades sobresalientes y ha encontrado usos en pinturas y recubrimientos, la microelectrónica y los conductores transparentes, además de utilizarse en raquetas de tenis y tintas, no ha revolucionado por completo ningún campo en particular.

"En algunos casos, un nuevo material abre algo que simplemente no era posible hacer con la tecnología existente, y luego puede abrirse paso más rápido, ", dijo el profesor Liljeroth." Pero no sé acerca del bifenileno, tendremos que verlo ".