La capa bidimensional de dióxido de silicio, no visible a simple vista, se deposita sobre una superficie de oro. Crédito:RUB, Kramer
Investigadores de Bielefeld, Bochum y Yale lograron producir una capa de dióxido de silicio bidimensional (2D). Este material contiene poros naturales y, por lo tanto, puede usarse como un tamiz para moléculas e iones. Los científicos han estado buscando estos materiales durante mucho tiempo porque podrían ayudar a desalinizar el agua de mar y usarse en nuevos tipos de celdas de combustible. El equipo describe el proceso de fabricación de silicatos bicapa en la revista Nano Letters , publicado en línea el 19 de enero de 2022. El estudio fue realizado conjuntamente por los equipos encabezados por el Dr. Petr Dementyev de la Universidad de Bielefeld, la profesora Anjana Devi de la Ruhr-Universität Bochum y el profesor Eric Altman de la Universidad de Yale.
Poros naturales en la red cristalina
Cuando los materiales bidimensionales se perforan con alta precisión, se pueden usar para filtrar ciertos iones y moléculas. Los investigadores han intentado una y otra vez perforar el material grafeno para este propósito, que consiste en átomos de carbono. Como no tiene poros naturales, deben insertarse artificialmente. Pero es difícil crear agujeros de un tamaño definido en el grafeno sin dañar permanentemente el material. Esto se debe a que pierde estabilidad mecánica debido a la perforación. En consecuencia, había que encontrar una alternativa. En el estudio actual, el equipo de investigación aprovechó el hecho de que la red cristalina de dióxido de silicio bidimensional contiene poros por naturaleza. Demostraron que estos poros se pueden usar para separar ciertos gases entre sí.
"Esto es muy emocionante porque el dióxido de silicio 2D tiene una densidad muy alta de poros diminutos por naturaleza que simplemente no es posible crear en membranas artificiales", dice Petr Dementyev del grupo de investigación de Física de Sistemas Supramoleculares y Superficies en Bielefeld. "A diferencia del grafeno perforado, los poros son todos casi del mismo tamaño. Y hay una cantidad tan increíble de ellos que el material se comporta como un tamiz de malla fina para las moléculas".
La sílice bidimensional tiene poros que son permeables a ciertas moléculas (derecha), pero no a otras (izquierda). Por lo tanto, actúa como un tamiz para las moléculas. Crédito:RUB, AG Chemie Anorganischer Materialien
Problemático de fabricar
La sílice 2D se conoce desde 2010. Sin embargo, era muy costosa de fabricar, lo que solo podía hacerse a pequeña escala. Los investigadores de Bochum, Bielefeld y Yale combinaron su experiencia en química de materiales, ingeniería química y física química para idear un nuevo proceso de fabricación de materiales. Usaron la llamada deposición de capa atómica para depositar una sola capa de dióxido de silicio sobre una superficie de oro. Usando un proceso de alta presión, los investigadores transfirieron la capa a su forma bidimensional y luego la caracterizaron en detalle por medio de espectroscopía y microscopía. Luego examinaron el flujo de gas a través de la membrana 2D en una cámara de vacío.
Mientras que el agua vaporizada y el alcohol penetraban en la capa de sílice, los gases nitrógeno y oxígeno no podían atravesarla. "Materiales como este con permeabilidad selectiva tienen una gran demanda en la industria", dice Anjana Devi. Sin embargo, antes de que la sílice 2D pueda usarse en la práctica, es importante evaluar exactamente cuántas moléculas diferentes pueden adherirse a la superficie del material o cómo pueden penetrarla.
"Esperamos que nuestros resultados sean de gran relevancia para la comunidad científica de materiales de todo el mundo", concluye Anjana Devi, del grupo de investigación de Química de materiales inorgánicos. Estas membranas 2D podrían estar a la vanguardia de la ayuda al desarrollo sostenible, por ejemplo, en el campo de la conversión o el almacenamiento de energía". + Explore más
