Los materiales bidimensionales (2D) poseen propiedades extraordinarias. Por lo general, consisten en capas atómicas que tienen solo unos pocos nanómetros de espesor y son particularmente buenas para conducir calor y electricidad, por ejemplo. Para asombro de muchos científicos, recientemente se supo que los materiales 2D también pueden existir sobre la base de ciertos óxidos metálicos. Estos óxidos son de gran interés en áreas como las aplicaciones de la nanoelectrónica. Un equipo de investigación germano-estadounidense, dirigido por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), ha logrado predecir veintiocho representantes de esta nueva clase de materiales utilizando métodos basados ​​en datos.

Existe una diferencia sustancial entre los materiales 2D convencionales como el grafeno y los nuevos materiales que se pueden sintetizar a partir de óxidos metálicos como la ilmenita y la cromita. Estos últimos no forman interacciones débiles, lo que se conoce como fuerzas de van der Waals, en su estructura cristalina, sino que forman enlaces iónicos más fuertes que apuntan en todas las direcciones. Por esta razón, hasta ahora solo unos pocos experimentos han logrado separar materiales 2D novedosos de bloques de material 3D. Los resultados del estudio ahora pueden conducir al éxito en otros experimentos de este tipo. Usando métodos teóricos, los científicos predicen qué compuestos realmente valen la pena para la investigación experimental.

"Con nuestro método basado en datos, nos basamos en la primera información disponible de los experimentos iniciales. A partir de esta información, desarrollamos prototipos estructurales y luego los analizamos en una enorme base de datos de materiales como criterio de filtro", explica el líder del estudio, el Dr. Rico Friedrich del HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "El principal desafío fue descubrir por qué estos materiales forman sistemas 2D tan fácilmente con óxidos particulares. A partir de esta información, pudimos desarrollar un criterio de búsqueda generalizado válido y caracterizar sistemáticamente a los candidatos identificados según sus propiedades".

Para este propósito, los investigadores aplicaron principalmente lo que se conoce como "teoría funcional de la densidad", un método computacional práctico para estructuras electrónicas que se usa ampliamente en la química cuántica y en la física de la materia condensada. Colaboraron con varios centros de datos alemanes de alto rendimiento para las etapas informáticas necesarias. Un factor decisivo fue determinar la energía de exfoliación:esta define cuánta energía se debe gastar para eliminar una capa 2D de la superficie de un material.

Base de datos de materiales con aproximadamente 3,5 millones de entradas

El estudio también utilizó la base de datos de materiales AFLOW (Flujo automático para el descubrimiento de materiales). Ha estado en desarrollo durante más de veinte años por el Prof. Stefano Curtarolo de la Universidad de Duke (EE. UU.), quien también contribuyó como autor del estudio. AFLOW se considera una de las mayores bases de datos de ciencia de materiales y clasifica aproximadamente 3,5 millones de compuestos con más de 700 millones de propiedades de materiales calculadas.

Junto con el software asociado, la base de datos finalmente proporcionó a los investigadores no solo la composición química de veintiocho materiales con capacidad 2D, sino que también les permitió estudiar sus propiedades, que son notables en aspectos electrónicos y magnéticos, así como topológicos. Según Rico Friedrich, sus estructuras de superficie magnética específicas podrían hacerlos particularmente atractivos para aplicaciones espintrónicas, como el almacenamiento de datos en computadoras y teléfonos inteligentes.

"Estoy seguro de que podemos encontrar materiales 2D adicionales de este tipo", dice el físico de Dresde, lanzando una mirada hacia el futuro. "Con suficientes candidatos, tal vez incluso se podría crear una base de datos dedicada completamente especializada en esta nueva clase de materiales". Los científicos de HZDR permanecen en contacto cercano con colegas de un centro de investigación colaborativo relacionado con el tema (Sonderforschungsbereich) en TU Dresden, así como con el grupo de investigación líder para sintetizar nuevos sistemas 2D en los Estados Unidos. Junto con ambos socios, planean continuar con el estudio de los compuestos más prometedores. + Explora más

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