Los materiales que son increíblemente delgados, de sólo unos pocos átomos de espesor, exhiben propiedades únicas que los hacen atractivos para el almacenamiento de energía, la catálisis y la purificación del agua. Investigadores de la Universidad de Linköping (Suecia) han desarrollado un método que permite la síntesis de cientos de nuevos materiales 2D. Su estudio ha sido publicado en la revista Science. .
Desde el descubrimiento del grafeno, el campo de investigación de materiales extremadamente finos, los llamados materiales 2D, ha aumentado exponencialmente. La razón es que los materiales 2D tienen una gran superficie en relación con su volumen o peso. Esto da lugar a una variedad de fenómenos físicos y propiedades distintivas, como buena conductividad, alta resistencia o resistencia al calor, lo que hace que los materiales 2D sean de interés tanto para la investigación como para las aplicaciones fundamentales.
"En una película que tiene sólo un milímetro de espesor, puede haber millones de capas del material. Entre las capas puede haber muchas reacciones químicas y gracias a esto, los materiales 2D pueden usarse para almacenar energía o para generar combustibles, por ejemplo ejemplo", afirma Johanna Rosén, profesora de Física de materiales en la Universidad de Linköping.
La familia más grande de materiales 2D se llama MXenes. Los MXenes se crean a partir de un material original tridimensional llamado fase MAX. Consta de tres elementos diferentes:M es un metal de transición, A es un elemento (del grupo A) y X es carbono o nitrógeno. Al eliminar el elemento A con ácidos (exfoliación), se crea un material bidimensional. Hasta ahora, MXenes ha sido la única familia de materiales creada de esta forma.
Los investigadores de Linköping han introducido un método teórico para predecir otros materiales tridimensionales que pueden ser adecuados para su conversión en materiales 2D. También han demostrado que el modelo teórico es consistente con la realidad.
Para tener éxito, los investigadores utilizaron un proceso de tres pasos. En el primer paso, desarrollaron un modelo teórico para predecir qué materiales originales serían adecuados. Utilizando cálculos a gran escala en el Centro Nacional de Supercomputadoras, los investigadores pudieron identificar 119 materiales 3D prometedores a partir de una base de datos y una selección compuesta por 66.643 materiales.
El siguiente paso fue intentar crear el material en el laboratorio.
"De 119 materiales posibles, estudiamos cuáles tenían la estabilidad química requerida y qué materiales eran los mejores candidatos. Primero, tuvimos que sintetizar el material 3D, lo cual fue un desafío en sí mismo. Finalmente, obtuvimos una muestra de alta calidad. donde podríamos exfoliar y grabar capas de átomos específicos usando ácido fluorhídrico", dice Jie Zhou, profesor asistente en el Departamento de Física, Química y Biología.
Los investigadores eliminaron el itrio (Y) del material original YRu2. Si2 , lo que resultó en la formación de Ru2 bidimensional Sex Oy .
Pero para confirmar el éxito en el laboratorio, es necesaria la verificación:paso tres. Los investigadores utilizaron el microscopio electrónico de transmisión y barrido Arwen de la Universidad de Linköping. Puede examinar materiales y sus estructuras a nivel atómico. En Arwen también es posible investigar de qué átomos está compuesto un material mediante espectroscopia.
"Pudimos confirmar que nuestro modelo teórico funcionaba bien y que el material resultante estaba formado por los átomos correctos. Después de la exfoliación, las imágenes del material parecían las páginas de un libro. Es sorprendente que la teoría se pudiera poner en práctica, de este modo ampliando el concepto de exfoliación química a más familias de materiales que MXenes", afirma Jonas Björk, profesor asociado de la división de Diseño de Materiales.
El descubrimiento de los investigadores significa que hay muchos más materiales 2D a nuestro alcance con propiedades únicas. Estos, a su vez, pueden sentar las bases para una gran cantidad de aplicaciones tecnológicas. El siguiente paso para los investigadores es explorar más materiales precursores potenciales y ampliar los experimentos. Rosén cree que las aplicaciones futuras son casi infinitas.
"En general, los materiales 2D han demostrado un gran potencial para una enorme cantidad de aplicaciones. Se puede imaginar, por ejemplo, capturar dióxido de carbono o purificar agua. Ahora se trata de ampliar la síntesis y hacerlo de forma sostenible", afirma Rosén. /P>
Más información: Jonas Björk et al, Materiales bidimensionales mediante cálculos a gran escala y exfoliación química de sólidos en capas, Ciencia (2024). DOI:10.1126/ciencia.adj6556. www.science.org/doi/10.1126/science.adj6556
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por la Universidad de Linköping
