Trabajando en Interface Science Western, sede de la instalación del acelerador Tandetron, Stocek y Fanchini formularon nanohojas bidimensionales de semicarburo de tungsteno (o W₂ C, un compuesto químico que contiene partes iguales de tungsteno y átomos de carbono), que, cuando se estiran en una dirección, se expanden perpendicularmente a la fuerza aplicada. Este diseño estructural se conoce como auxético.

El truco es que la estructura de la nanohoja en sí no es plana. Los átomos de la lámina están formados por unidades repetidas que constan de dos átomos de tungsteno por cada átomo de carbono, que están dispuestos metafóricamente como la superficie con hoyuelos de un cartón de huevos. A medida que se aplica tensión a través de la nanolámina elástica en una dirección, se expande en la otra dimensión a medida que los hoyuelos se aplanan.

Antes de esta innovación, solo se había informado de un material que podía expandirse un 10% por unidad de longitud de esta forma contraria a la intuición. La nanolámina de semicarburo de tungsteno diseñada en Occidente puede expandirse hasta un 40%, un nuevo récord mundial.

"Buscamos específicamente crear un nanomaterial bidimensional a partir de semicarburo de tungsteno", dijo Stocek. "En 2018, los teóricos predijeron que podría mostrar este comportamiento a un nivel excelente, pero nadie había podido desarrollarlo, a pesar de los intensos intentos de los grupos de investigación de todo el mundo."

No fue posible construir el nuevo nanomaterial de semicarburo de tungsteno utilizando medios químicos, por lo que Stocek y Fanchini confiaron en la física del plasma para formar las capas de un solo átomo. Compuesto de partículas cargadas de átomos, el plasma es el cuarto estado de la materia (junto con sólido, líquido y gaseoso). El plasma se puede observar en el mundo natural en la aurora boreal, o aurora boreal, y en la corona solar durante el reciente eclipse solar. También se utiliza en iluminación de neón, tubos fluorescentes y televisores de pantalla plana.

Normalmente, la instrumentación utilizada para fabricar nanomateriales bidimensionales son hornos especiales donde los gases se calientan a una temperatura lo suficientemente alta como para reaccionar y formar químicamente la sustancia deseada. Este enfoque simplemente no funcionó porque cualquier reacción química, el proceso más común, conduciría a un producto diferente del nanomaterial deseado.

"Ahí es donde la mayoría de los investigadores que intentaron obtener este material antes que nosotros se quedaron estancados, por lo que tuvimos que dar un giro", dijo Fanchini.

En lugar de calentar un gas hecho de tungsteno y átomos de carbono en hornos, lo que produciría partículas neutras como las que se obtendrían con sólidos, líquidos o gases, Stocek y Fanchini diseñaron una nueva instrumentación personalizada que produce un plasma, que está compuesto eléctricamente de partículas cargadas.

Metas ambiciosas

Existen innumerables aplicaciones posibles para estos W₂ C nanohojas, comenzando con un nuevo tipo de galga extensométrica. Estos medidores disponibles comercialmente son una forma estándar de medir la expansión y el estiramiento en todo, desde las alas de un avión hasta las tuberías domésticas.

"Imagínese si quiere saber si una tubería de su casa se está deformando y corre el riesgo de estallar en algún momento. Puede colocar un sensor en la tubería hecha de este nanomaterial bidimensional y luego usar una computadora para monitorear la corriente que pasa a través de ella. Si la corriente aumenta, significa que la tubería se está expandiendo y corre el riesgo de estallar", afirmó Stocek.

De hecho, el nuevo nanomaterial se vuelve más conductor de la electricidad, y eso abre la puerta a infinitas posibilidades de uso en cosas como sensores o cualquier dispositivo que detecte eventos o cambios en el medio ambiente y envíe la información a otros dispositivos electrónicos. Otra aplicación es incrustar el material directamente en dispositivos electrónicos estirables, como tecnología portátil, para que tengan más conductividad.

"Normalmente, las galgas extensométricas se basarían en el hecho de que cuando se estira un material, se vuelve más delgado y se cambia la conductividad de un material para transportar una corriente", dijo Fanchini. "Con este nuevo nanomaterial esto ya no sería así."

Los hallazgos se publican en la revista Materials Horizons. .