Investigadores de la UCL han creado cintas de un átomo de espesor hechas de fósforo aleado con arsénico que podrían mejorar drásticamente la eficiencia de dispositivos como baterías, supercondensadores y células solares.
El equipo de investigación descubrió nanocintas de fósforo en 2019. El "material maravilloso", que se prevé revolucionará dispositivos que van desde baterías hasta sensores biomédicos, se ha utilizado desde entonces para aumentar la vida útil de las baterías de iones de litio y la eficiencia de las células solares.
Sin embargo, los materiales que contienen únicamente fósforo no conducen muy bien la electricidad, lo que dificulta su uso para determinadas aplicaciones.
En el nuevo estudio, publicado en el Journal of the American Chemical Society , los investigadores crearon nanocintas hechas de fósforo y pequeñas cantidades de arsénico, que descubrieron que eran capaces de conducir electricidad a temperaturas superiores a -140 °C, conservando al mismo tiempo las propiedades altamente útiles de las cintas compuestas únicamente de fósforo.
El autor principal, el Dr. Adam Clancy (Química de la UCL), dijo:"Los primeros trabajos experimentales ya han demostrado la notable promesa de las nanocintas de fósforo, creadas por primera vez por nuestro equipo de la UCL en 2019. En 2021, por ejemplo, se demostró que agregar el Las nanocintas como capa de las células solares de perovskita permitieron a las células aprovechar más energía del sol.
"Nuestro último trabajo en la aleación de nanocintas de fósforo con arsénico abre nuevas posibilidades, en particular, mejorar el almacenamiento de energía de baterías y supercondensadores, y mejorar los detectores de infrarrojo cercano utilizados en medicina.
"Las cintas de arsénico y fósforo también resultaron ser magnéticas, lo que creemos que proviene de átomos a lo largo del borde, lo que las hace potencialmente interesantes también para las computadoras cuánticas.
"En términos más generales, el estudio muestra que la aleación es una poderosa herramienta para controlar las propiedades y, por tanto, las aplicaciones y el potencial de esta creciente familia de nanomateriales". Los investigadores afirman que la misma técnica podría utilizarse para fabricar aleaciones que combinen fósforo con otros elementos como el selenio o el germanio.
Para usarse como material anódico en baterías de iones de litio o de iones de sodio, las nanocintas de fósforo actualmente necesitarían mezclarse con un material conductor como el carbono. Al agregar arsénico, el relleno de carbón ya no es necesario y se puede eliminar, lo que mejora la cantidad de energía que la batería puede almacenar y la velocidad a la que se puede cargar y descargar.
Mientras tanto, en las células solares, las nanocintas de arsénico y fósforo pueden mejorar aún más el flujo de carga a través de los dispositivos, mejorando la eficiencia de las células.
Las cintas de arsénico y fósforo creadas por el equipo de investigación tenían normalmente unas pocas capas de alto, varios micrómetros de largo y decenas de nanómetros de ancho. Se obtuvieron mezclando cristales formados a partir de láminas de fósforo y arsénico con litio disuelto en amoníaco líquido a -50°C. (Después de 24 horas, el amoníaco se elimina y se reemplaza con un solvente orgánico). La estructura atómica de las láminas significa que los iones de litio pueden viajar en una sola dirección, no lateralmente, lo que provoca el agrietamiento que crea las cintas.
Una característica clave de las nanocintas es que también tienen una "movilidad de agujeros" extremadamente alta. Los agujeros son los compañeros opuestos de los electrones en el transporte eléctrico, por lo que mejorar su movilidad (una medida de la velocidad a la que se mueven a través del material) ayuda a que la corriente eléctrica se mueva de manera más eficiente.
Las nanocintas podrían producirse a escala en un líquido que luego podría usarse para aplicarlas en volumen a bajo costo para diferentes aplicaciones.
Las nanocintas de fósforo fueron descubiertas en la UCL por un equipo interdisciplinario dirigido por el profesor Chris Howard (Física y Astronomía de la UCL). Desde el aislamiento de láminas bidimensionales de fosforeno en 2014, más de 100 estudios teóricos habían predicho nuevas y interesantes propiedades que podrían surgir al producir cintas estrechas de este material.
Más información: Feng Fei Zhang et al, Producción de nanocintas magnéticas de aleación de arsénico y fósforo con pequeñas separaciones de bandas y altas conductividades de orificios, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2023). DOI:10.1021/jacs.3c03230
Información de la revista: Revista de la Sociedad Química Estadounidense
Proporcionado por University College London
