Un equipo de investigación germano-estadounidense dirigido por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y la Universidad Tecnológica de Dresde (TUD) presenta en la revista Nano Letters , una idea innovadora que podría superar esta deficiencia al permitir que la capa 2D reaccione con el hidrógeno.

Los materiales 2D son ultrafinos y en algunos casos constan de una sola capa atómica. Debido a sus propiedades especiales, esta clase aún joven de materiales ofrece perspectivas interesantes para la espintrónica y el almacenamiento de datos. En 2017, los expertos descubrieron una nueva variante:materiales 2D que son magnéticos. Sin embargo, hasta ahora estos sistemas han tenido dificultades para alternar entre dos estados magnéticos (un requisito previo para la construcción de nuevos tipos de componentes electrónicos) mediante influencias químicas específicas.

Para superar este problema, un equipo de investigación del HZDR y del TUD dirigido por el líder del grupo de investigación junior Rico Friedrich fijó su mirada en un grupo especial de materiales 2D:capas obtenidas de cristales en los que existen enlaces químicos relativamente fuertes:los llamados no-van. Materiales 2D der Waals.

Hace veinte años, los posteriores premios Nobel de Física Konstantin Novoselov y Andre Geim pudieron producir por primera vez un material 2D de forma específica. Con ayuda de cinta adhesiva despegaron una fina capa de un cristal de grafito, aislando así carbono monocapa, el llamado grafeno. El sencillo truco funcionó porque las capas individuales de grafito sólo están unidas químicamente de forma débil. Por cierto, esto es exactamente lo que permite dibujar líneas en papel con un lápiz.

"Sólo en los últimos años ha sido posible separar capas individuales de los cristales mediante procesos basados ​​en líquidos, en los que las capas están mucho más unidas que en el grafito", explica Rico Friedrich, jefe del grupo de investigación junior "DRESDEN-concept". AutoMaT.

"Los materiales 2D resultantes son mucho más activos químicamente que, por ejemplo, el grafeno". La razón:estas capas tienen enlaces químicos insaturados en su superficie y, por lo tanto, una fuerte tendencia a unirse con otras sustancias.

Convertir 35 en 4

A Friedrich y su equipo se les ocurrió la siguiente idea:si la superficie reactiva de estos materiales bidimensionales se hiciera reaccionar con hidrógeno, debería ser posible influir específicamente en las propiedades magnéticas de las capas delgadas. Sin embargo, no estaba claro cuál de los sistemas 2D era especialmente adecuado para ello.

Para responder a esta pregunta, los expertos revisaron su base de datos previamente desarrollada de 35 nuevos materiales 2D y llevaron a cabo cálculos detallados y extensos utilizando la teoría funcional de la densidad.

El desafío era garantizar la estabilidad de los sistemas pasivados con hidrógeno desde el punto de vista energético, dinámico y térmico y determinar el estado magnético correcto, una tarea que sólo podría lograrse con el apoyo de varios centros informáticos de alto rendimiento. P>

Una vez finalizado el arduo trabajo, quedaron cuatro prometedores materiales 2D. El grupo los miró más de cerca una vez más. "Al final pudimos identificar tres candidatos que podrían activarse magnéticamente mediante pasivación con hidrógeno", informa Friedrich. Un material llamado titanato de cadmio (CdTiO₃ ) resultó especialmente sorprendente:se vuelve ferromagnético, es decir, un imán permanente, gracias a la influencia del hidrógeno.

Los tres candidatos tratados con hidrógeno deberían ser fáciles de controlar magnéticamente y, por tanto, podrían ser adecuados para nuevos tipos de componentes electrónicos. Como estas capas son extremadamente delgadas, podrían integrarse fácilmente en componentes planos de dispositivos, un aspecto importante para aplicaciones potenciales.

Los experimentos ya están en marcha

"El siguiente paso es confirmar experimentalmente nuestros hallazgos teóricos", afirma Rico Friedrich. "Y varios equipos de investigación ya están intentando hacerlo, por ejemplo en la Universidad de Kassel y en el Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido de Dresde". Pero también en HZDR y TUD continúa la investigación sobre materiales 2D:entre otras cosas, Friedrich y su equipo están trabajando en nuevos tipos de materiales 2D que podrían ser relevantes para la conversión y el almacenamiento de energía a largo plazo.

Uno de los focos está en la posible división del agua en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno verde obtenido de esta manera podría utilizarse, por ejemplo, como medio de almacenamiento de energía en momentos en que haya muy poca energía solar y eólica disponible.