El borofeno se puede hacer tentador para los científicos de materiales y comenzar a cumplir sus ambiciones, si un nuevo enfoque de los investigadores de la Universidad de Rice se puede poner en práctica.

El teórico de materiales Boris Yakobson de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice y su grupo sugieren un método para sintetizar borofeno, la versión 2D del boro, de una manera que podría facilitar su liberación o manipulación.

Según el artículo del grupo en la revista ACS Nano de la American Chemical Society , eso implicaría cultivar el material exótico en nitruro de boro hexagonal (hBN), un aislante, en lugar de las superficies metálicas más tradicionales que se usan típicamente en la epitaxia de haz molecular (MBE).

Las fuerzas de van der Waals más débiles entre el borofeno en crecimiento y el hBN relativamente inerte químicamente facilitarían la eliminación del material del sustrato para su uso en aplicaciones. También permitiría una evaluación directa más simple del borofeno (sin levantarlo del sustrato) por sus propiedades plasmónicas y fotónicas, es decir, de manejo de la luz, porque no habría sustrato metálico que interfiriera. Eso también ayudaría a la experimentación sobre sus propiedades electrónicas, lo que podría ser de interés para quienes estudian la superconductividad.

El equipo de Yakobson, incluido el autor principal y estudiante graduado Qiyuan Ruan y los coautores Luqing Wang, un ex alumno de Rice, y la científica investigadora Ksenia Bets, calcularon las energías a nivel atómico del borofeno y el hBN. Descubrieron que el sustrato hBN de paso y meseta alentaba a los átomos de boro que flotaban en la cámara MBE a posarse, nucleando el crecimiento.

Debido a que hBN, como el grafeno, tiene una red hexagonal similar a una malla de gallinero, su disposición atómica también permitió el crecimiento epitaxial del borde del nuevo cristal que se forma en su superficie. En la epitaxia, el crecimiento del nuevo material está dictado hasta cierto punto por la red que se encuentra debajo. En este caso, ese crecimiento ocurre en cambio en el lado elevado de la meseta.

En particular, los cálculos precisos ab initio mostraron que los átomos de boro tienen una "alta afinidad" con los pasos de hBN y sus bordes en zigzag, eludiendo la barrera de nucleación presentada por cualquier otra ubicación en el sustrato. Eso permite que el crecimiento del cristal comience sobre una base sólida.

"Los pasos en una superficie son entidades unidimensionales y la afinidad del boro con los pasos permite la nucleación 1D, que se sabe que no posee una barrera termodinámica", dijo Bets. "Esto es un rompehielos, ya que la nucleación ocurre casi sin barreras y luego se extiende al borofeno 2D deseado".

Ruan notó que después de analizar la idea desde el punto de vista de la química física, comenzó la parte difícil. "La parte más laboriosa fue presentar todos los valores cuantitativos y argumentos con la mayor precisión", dijo. "Para nuestras grandes estructuras, eso implica el uso de métodos computacionales bastante costosos y que consumen mucho tiempo".

El mecanismo de crecimiento sugirió que los investigadores también echaran un vistazo al popular grafeno como sustrato. Sus cálculos mostraron que la energía reticular inherente del grafeno atraparía átomos de boro o dímeros en la superficie y evitaría que nuclearan el borofeno.

Yakobson tiene un sólido historial de predicción de lo que podrían hacer los átomos de boro y luego de ver cómo los laboratorios asumían con éxito el desafío. No espera menos con la última teoría.

"El proceso parece muy lógico y de esta manera parece convincente, y esperamos que los experimentadores de todo el mundo lo prueben, como sucedió con nuestra propuesta anterior de síntesis de metales", dijo. "Somos optimistas, pero mantenemos los dedos cruzados. La casualidad en el laboratorio generalmente implica un resultado feliz, pero también una sorpresa, posiblemente un obstáculo no esperado o deseado".

Yakobson es profesor de la cátedra Karl F. Hasselmann de ciencia de materiales y nanoingeniería y profesor de química en Rice. + Explora más

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