Los científicos están explorando nuevas formas de apilar artificialmente materiales bidimensionales (2D), introduciendo los llamados materiales 2,5D con propiedades físicas únicas. Investigadores en Japón revisaron los últimos avances y aplicaciones de materiales 2.5D en la revista Science and Technology of Advanced Materials .

"El concepto 2.5D simboliza la libertad de la composición, los materiales, los ángulos y el espacio que normalmente se utilizan en la investigación de materiales 2D", explica el científico de nanomateriales y autor principal Hiroki Ago de la Universidad de Kyushu en Japón.

Los materiales 2D, como el grafeno, constan de una sola capa de átomos y se utilizan en aplicaciones como paneles táctiles flexibles, circuitos integrados y sensores.

Recientemente, se han introducido nuevos métodos para hacer posible el apilamiento artificial de materiales 2D de forma vertical, en el plano o en ángulos torcidos, independientemente de sus composiciones y estructuras. Esto se debe a la capacidad de controlar las fuerzas de van der Waals:interacciones eléctricas débiles entre átomos y moléculas, similar a la atracción del polvo por parte de un paño de microfibra. Ahora también es posible integrar materiales 2D con otros materiales dimensionales, como iones, nanotubos y cristales a granel.

Un método común para fabricar materiales 2.5D es la deposición química de vapor (CVD), que deposita una capa, un átomo o molécula a la vez, sobre una superficie sólida. Los bloques de construcción comúnmente utilizados para materiales 2.5D incluyen grafeno, nitruro de boro hexagonal (hBN) (un compuesto utilizado en cosmética y aeronáutica) y dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) (un semiconductor de nanoláminas).

Usando el método CVD, los investigadores sintetizaron selectivamente una bicapa de grafeno, la forma más simple de un material 2.5D, utilizando una lámina de cobre y níquel con una concentración de níquel relativamente alta como catalizador. El níquel hace que el carbono sea altamente soluble, dando a los investigadores más control sobre la cantidad de capas de grafeno. Cuando se aplicó un campo eléctrico verticalmente a través de la bicapa de grafeno, abrió una brecha de banda, lo que significa que su conductividad se puede activar y desactivar. Este es un fenómeno que no se observa en el grafeno monocapa porque no tiene banda prohibida y permanece encendido todo el tiempo. Al inclinar el ángulo de apilamiento un grado, los científicos descubrieron que el material se volvió superconductor.

De manera similar, otro grupo en el Reino Unido y los EE. UU. descubrió que una capa de grafeno y hBN da como resultado el efecto Hall cuántico, un fenómeno de conducción que involucra un campo magnético que produce una diferencia de potencial. Otros mostraron que el apilamiento de TMDC atrapa excitones (electrones emparejados con sus agujeros asociados en un estado unido) en los patrones de celosía superpuestos. Esto puede dar lugar a aplicaciones en dispositivos de almacenamiento de información. Las nuevas técnicas de ensamblaje robótico también han hecho posible construir estructuras verticales más complejas, incluida una heteroestructura apilada que consta de 29 capas alternas de grafeno y hBN, por ejemplo.

Otra investigación ha utilizado los nanoespacios que se forman entre las capas de un material 2.5D para insertar moléculas e iones con el fin de mejorar las propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas del material huésped.

Hasta ahora, por ejemplo, los investigadores han descubierto que el grafeno estabiliza el cloruro de hierro cuando se inserta entre sus capas apiladas, mientras que la inserción de iones de litio conduce a una velocidad de difusión más rápida (la rapidez con la que las moléculas se propagan en un área) que la del grafito, un conductor eléctrico. utilizado en baterías. Esto implica que el material podría usarse en baterías recargables de alto rendimiento.

Además, los investigadores descubrieron que la inserción de moléculas de cloruro de aluminio entre dos láminas de grafeno conduce a la formación de nuevas estructuras cristalinas que son completamente diferentes del cristal de cloruro de aluminio a granel. Se necesita más investigación para comprender por qué sucede esto y qué aplicaciones podría tener.

"Hay muchas oportunidades para explorar con este nuevo concepto 2.5D", dice Ago.

Las aplicaciones futuras de los materiales 2.5D incluyen celdas solares, baterías, dispositivos flexibles, dispositivos cuánticos y dispositivos con muy bajo consumo de energía.

Los próximos pasos deben incorporar el aprendizaje automático, el aprendizaje profundo y la informática de materiales para seguir avanzando en el diseño y la síntesis de materiales 2.5D. + Explora más

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