Materiales 2D, como el grafeno, abren nuevas fronteras en las ciencias de los materiales

Un descubrimiento accidental

La mayoría de los objetos físicos están hechos de materiales 3D. Los materiales sólidos suelen estar compuestos ya sea por átomos organizados en estructuras 3D predefinidas que forman metales y cristales, o por átomos desorganizados que forman otras cosas.

Durante mucho tiempo se asumió que esta era la única forma en que la materia podía organizarse para formar objetos sólidos. Pero hace 20 años (2004), dos investigadores de la Universidad de Manchester, Andre Geim y el profesor Kostya Novoselov, descubrieron un material 2D, el grafeno. Lo descubrieron casi por accidente cuando se dieron cuenta de que una simple cinta adhesiva aplicada sobre grafito (lo que forma las minas de los lápices) creaba una capa monoatómica de carbono.

Esto les valdría más tarde el Premio Nobel de Física en 2010.

El grafeno está compuesto de átomos de carbono, pero en lugar de estar en forma desorganizada (grafito) o en un cristal organizado (diamantes), en el grafeno los átomos de carbono están alineados en una capa monoatómica, como una hoja de papel ultrafina. También descubrieron que es posible formar materiales de una o cero dimensiones, como nanotubos o puntos cuánticos.

Fuente: Ossila

Lo que hace especiales a los materiales 2D es que esta configuración única conlleva propiedades físicas únicas.

Por ejemplo, el grafeno es extremadamente conductor, con electrones capaces de circular en él a 1/300^th de la velocidad de la luz. También es un muy buen conductor térmico y posee la mayor resistencia a la tracción de cualquier material, a pesar de ser ópticamente transparente, absorbiendo solo el 2 % de la luz visible incidente.

Fuente: Visual Capitalist

Mucho más que el grafeno

Las propiedades únicas del grafeno lo convirtieron de inmediato en el foco de miles de investigadores ansiosos por revelar sus propiedades eléctricas, químicas y físicas únicas.

Sin embargo, otros comenzaron a preguntarse si otros elementos además del carbono podrían crear también materiales 2D. La respuesta fue sí, con predicciones teóricas que prometen cientos de diferentes materiales 2D potenciales. Entre los materiales 2D más importantes y estudiados además del grafeno, podemos mencionar algunos:

• Borofeno, hecho de átomos de boro, descubierto solo en 2015.
• Goldene, hecho de átomos de oro, producido por primera vez en 2024.
• Siliceno, hecho de átomos de silicio.
• Fosforeno, hecho de átomos de fósforo.

También parece que los materiales 2D no tienen que estar hechos de un solo elemento puro; por ejemplo, monocapas de disulfuro de molibdeno (MoS2) o nitruro de silicio (Si₃N₄).

Otros átomos también pueden unirse a la monocapa, creando una superficie “rugosa”, como al añadir hidrógeno a los átomos de carbono del grafeno para formar graphane.

Por Edgar181 (talk) – Trabajo propio, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234

Debido a esta extrema diversidad de materiales, los investigadores apenas están comenzando a descubrir el potencial de los materiales 2D.

Aplicaciones – Aspectos fundamentales

En general, lo que hace únicos a los materiales 2D es que su estructura atómica muy organizada permite una configuración singular de sus electrones y un enlace estrecho entre los átomos.

Esto a su vez explica la excepcional conductividad eléctrica (flujo de electrones), la conducción térmica (transferencia de niveles de energía entre átomos) y la resistencia física (enlaces covalentes entre átomos debido al intercambio de electrones).

La estructura 2D también otorga a estos materiales las mayores áreas superficiales específicas (superficie donde son posibles interacciones) de todos los materiales conocidos. Esto los convierte en excelentes candidatos para nuevas formas de catalizadores o, en general, para participar en reacciones químicas y eléctricas.

Superconductores

Debido a que los electrones fluyen casi totalmente libremente en la superficie de los materiales 2D, se los ha considerado buenos candidatos para la superconductividad.

La superconductividad es lo que ocurre cuando un material puede conducir electricidad sin ninguna resistencia.

Esto significa que no solo no hay pérdida de energía, lo que podría ser muy útil para transportar energía a largas distancias, sino que también implica que una corriente que atraviesa el material no genera calor. Esto lo hace increíblemente útil para todo tipo de aplicaciones, desde la computación hasta los vehículos eléctricos y prácticamente cualquier tecnología que utilice electricidad.

En teoría, la superconductividad, especialmente la superconductividad a temperatura ambiente, podría permitir dominar la fusión nuclear, propulsar naves con electricidad, trenes maglev baratos y ultrarrápidos, impulsores masivos para alcanzar la órbita a muy bajo costo, etc. (Exploramos con mayor detalle la cuestión de los superconductores a temperatura ambiente en nuestro artículo dedicado).

Muchos materiales 2D podrían mostrar superconductividad bajo las condiciones adecuadas (p. ej., temperatura, presión, etc.) incluyendo:

• Películas ultrafinas de metales elementales.
• Cupratos.
• Óxidos perovskita.
• Compuestos de fermiones pesados de metales de tierras raras.
• Grafeno.
• Seleniuro de hierro en superficies de óxido.
• Conductores orgánicos en superficies metálicas.

Semiconductores

Los semiconductores son materiales capaces de cambiar selectivamente de un estado conductor (que transfiere electrones) a un estado aislante (que bloquea electrones). Este es el principio fundamental alrededor del cual se construyen los transistores de silicio y otros elementos de computación, con 0 representando ausencia de corriente eléctrica y 1 la presencia de corriente.

Cuanto más rápido pueda cambiar de estado un semiconductor, más rápida será la computación asociada.

Grafeno

Al principio, los investigadores que estudiaban el grafeno pensaron que podría reemplazar al silicio en los semiconductores. Desafortunadamente, le falta una característica electrónica clave llamada “gap de banda”.

Un gap de banda es lo que determina si un material será considerado un metal (conductor de electricidad), un aislador (bloquea la electricidad) o un semiconductor (que puede alternar entre ser conductor y aislante).

Fuente: Energy Education

El problema es que el grafeno no tiene ningún gap de banda, lo que impide su uso como semiconductor.

Esto era cierto hasta 2024, cuando los investigadores anunciaron que lograron crear el primer semiconductor del mundo hecho de grafeno.

“Ahora tenemos un semiconductor de grafeno extremadamente robusto con diez veces la movilidad del silicio, y que también posee propiedades únicas no disponibles en el silicio.

“Tuvimos que aprender a tratar el material, a mejorarlo continuamente y, finalmente, a medir sus propiedades. Eso tomó mucho, mucho tiempo.”

Goldene

Otro material 2D de interés es goldene, esencialmente grafeno pero con oro sustituyendo a los átomos de carbono.

El oro ya se usa comúnmente en chips y componentes informáticos gracias a sus propiedades extraordinarias, como la resistencia a la oxidación y su muy alta conductividad eléctrica.

Con la producción en 2024 de la primera monocapa de goldene, las propiedades semiconductoras podrían añadirse a la lista.

“Si haces un material extremadamente delgado, ocurre algo extraordinario, como con el grafeno. Lo mismo ocurre con el oro. Como sabes, el oro suele ser un metal, pero si una capa tiene un solo átomo de espesor, entonces el oro puede convertirse en un semiconductor.”

Semiconductores orgánicos

Las moléculas orgánicas están formadas por un esqueleto de carbono, junto con otros elementos, comúnmente oxígeno, nitrógeno, azufre, etc.

Recientemente, los investigadores descubrieron que pueden obligar a los polímeros orgánicos a permanecer en configuración 2D y evitar que múltiples capas se apilen unas sobre otras.

Fuente: POSTECH

Luego utilizaron un paso llamado dopado tipo p, comúnmente usado en la producción de semiconductores.

Esto se refiere a añadir elementos a un material semiconductor para hacerlo aún más conductor.

Fuente: Wikipedia by VectorVoyager

El material resultante ha sido descrito por los investigadores como poseedor de una “conductividad eléctrica sobresaliente”.

Así que, incluso si de alguna manera materiales como el grafeno son demasiado difíciles de producir en masa en una configuración de semiconductor, o goldene es demasiado costoso, los semiconductores orgánicos probablemente estarán allí para permitir la adopción de semiconductores 2D en un futuro cercano.

Supermateriales

Mientras que las propiedades eléctricas son el núcleo del interés de los científicos en los materiales 2D, sus propiedades físicas son igualmente impresionantes.

Por ejemplo, el grafeno es 200 veces más fuerte que el acero para una masa equivalente. El grafeno podría integrarse en el hormigón, de la misma forma que el acero se usa en hormigón armado, creando un hormigón 2,5 veces más fuerte y 4 veces menos permeable al agua. Además, el grafeno no se oxida como el acero, lo que hace que el hormigón reforzado con grafeno no sea vulnerable a la “descomposición del hormigón” causada por la oxidación del hierro, lo que limita severamente la vida útil de las estructuras de hormigón.

Por Achim Hering – Trabajo propio, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20269527

La resistencia extrema + el bajo peso del grafeno y otros materiales 2D también podrían usarse para crear chalecos antibalas mejores.

Otro campo de aplicación puede ser la gestión térmica. Por ejemplo, los investigadores descubrieron recientemente que se puede fabricar un material que sea tanto aislante como rígido (una combinación rara) creando perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas 2D.

Materiales 2D como el grafeno y el nitruro de boro hexagonal también podrían usarse para disipar calor en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.

Por último, los materiales 2D ultra resistentes avanzados podrían usarse para lograr infraestructuras futuristas, como, por ejemplo, ascensores espaciales. Sin embargo, dichos pasos solo serán realistas una vez que hayamos descubierto cómo producir económicamente estos materiales no por gramos o kilos, sino por millones de toneladas.

Biotecnología

Un nivel de superficie muy alto, una capa extremadamente delgada y propiedades químicas únicas hacen que los materiales 2D sean buenos candidatos para numerosas aplicaciones de nicho en las industrias médicas y biotecnológicas.

Esto incluye la liberación de fármacos, imágenes, ingeniería de tejidos, biosensores y sensores de gases.

Otro factor en la aparición de materiales 2D en aplicaciones biológicas son los descubrimientos recientes que les permiten poseer una característica llamada quiralidad.

La quiralidad es un término de química que indica que las moléculas tienen una simetría izquierda/derecha. La quiralidad es una característica importante de las moléculas orgánicas, por ejemplo, los aminoácidos que son los bloques constructores de las proteínas.

Fuente: UC Santa Barbara

En las moléculas, la quiralidad puede hacer que las unidades biológicas o químicas existan en dos versiones que no pueden coincidir perfectamente, como un guante izquierdo y derecho. Pueden reflejarse exactamente, pero un guante izquierdo nunca se ajustará a la mano derecha tan bien como a la mano izquierda.

Prof. Dipanjan Pan

Recientemente, los investigadores sintetizaron plaquetas de borofeno, similar a cómo fragmentos de borofeno entrarían en el torrente sanguíneo. Descubrieron que las propiedades quirales de las diferentes versiones de borofeno interactuaban de manera distinta con las membranas celulares y entraban en las células de forma diferente.

Esto abre el camino para diseñar estructuras personalizadas de borofeno para aplicaciones como el “desarrollo de imágenes médicas de mayor resolución con contraste que pueda rastrear con precisión las interacciones celulares o una mejor liberación de fármacos con interacciones material-célula precisas.”

Una mejor comprensión de cómo la estructura del borofeno interactúa con las células vivas también ayudará a aclarar su perfil de seguridad.

Aunque el perfil de salud del borofeno aún se está evaluando, parece que el grafeno incluso puede inhalarse de forma segura sin ningún riesgo agudo para la salud humana. Estos resultados siguen siendo muy preliminares pero probablemente indican que la rápida proliferación de materiales 2D no debería generar problemas de salud pública.

Y cuanto más biocompatibles sean, más probable será que puedan usarse para desarrollar sensores biológicos o alimentar nanorobots en nuestro torrente sanguíneo.

Limitaciones

Fabricación a gran escala

Incluso el material 2D más establecido y el primero descubierto, el grafeno, sigue siendo en gran medida dominio de laboratorios y startups.

Esto se debe a que producirlo a gran escala sigue siendo una propuesta complicada. Fabricar pequeñas cantidades es relativamente fácil, pero producir grandes cantidades de forma semi‑automatizada no lo es.

Una cinta adhesiva aplicada a un trozo de grafito fue suficiente para descubrir el grafeno. Pero se requieren métodos mucho más complejos como la Deposición Química de Vapor (CVD) para la producción masiva.

Esto se está convirtiendo lentamente en una realidad, con, por ejemplo, la publicación de un proceso de CVD sin oxígeno que produce grafeno de alta pureza.

Pegarlo

Otro problema con los materiales 2D es que, al ser tan delgados y químicamente únicos, pueden ser difíciles de pegar a otros materiales.

A menudo requiere técnicas especializadas para lograr que una capa de grafeno se adhiera a chips informáticos, una fuente de alimentación o un dispositivo médico.

Esto puede consumir mucho más tiempo y recursos que alternativas menos eficientes pero más fáciles de implementar.

Costos

Porque por ahora, la mayoría de los métodos de producción y aplicaciones a dispositivos existentes son mayormente a pequeña escala o a medida, los materiales 2D se han mantenido bastante caros.

El precio real puede variar mucho según la pureza, con, por ejemplo, el grafeno oscilando entre $20‑2,000/kg.

Esto significa que incluso al precio más bajo, el grafeno sigue siendo 20 veces más caro que el acero. Además, para lograr un rendimiento aceptable al reemplazar dicho acero, probablemente se requiera una pureza superior a la mínima posible.

Empresas de materiales 2D

El campo de los materiales 2D está evolucionando muy rápidamente, con nuevas opciones como goldene descubriéndose regularmente, y nuevos conocimientos sobre cómo optimizar materiales “viejos” como convertir el grafeno en un semiconductor.

Estos productos probablemente solo se convertirán en un sector económico importante una vez que se produzcan a escala mediante métodos industriales.

Hasta ahora, el método más avanzado y bien documentado es el CVD, lo que brinda una ventaja significativa a los especialistas en CVD para capturar gran parte del valor de la fabricación de materiales 2D.

1. Veeco

Veeco ha sido un importante proveedor de equipos para la industria de fabricación de semiconductores desde su fundación en 1945. Sus máquinas se utilizan en la producción de chips avanzados EUV, antenas 5G, discos duros, LIDAR, LEDs, electrónica de potencia para vehículos eléctricos, etc.

Fuente: Veeco

El principal enfoque tecnológico de la empresa es el mismo proceso CVD utilizado para la producción de borofeno, o más precisamente, MOCVD (Deposición Química de Vapor Metal‑Orgánica).

Fuente: Veeco

Como líder en este segmento nicho de la industria de semiconductores, Veeco podría ser un buen candidato para apostar al auge de más aplicaciones CVD.

Ese crecimiento podría derivarse del uso creciente de grafeno, tungsteno y borofeno, a medida que progresivamente mejoramos en la manipulación de la materia a nivel atómico.

También probablemente se beneficiará de las enormes tendencias de digitalización, IA y electrificación, ya sea que use masivamente materiales 2D pronto o no.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG es un productor de grafeno que ha centrado su oferta de productos en productos basados en grafeno ya demostrados, como recubrimientos térmicos y lubricantes.

Esto convierte a GMG en una buena opción para inversores que buscan exposición directa al mercado del grafeno y una empresa ya activa en la producción masiva de grafeno y en la mejora del método de producción actual.

Fuente: GMG

Algunas aplicaciones adicionales podrían ser la creación de semiconductores de grafeno (ver “Semiconductores de grafeno – ¿Están finalmente aquí?”), o incluso superconductores a temperatura ambiente. El recubrimiento de grafeno también podría usarse en baterías y para tecnologías de recipientes a presión de hidrógeno.

Fuente: GMG

GMG produce su grafeno a partir de metano + hidrógeno, lo que difiere de la mayoría de sus competidores, que lo producen a partir de depósitos naturales de grafito. Esto permite mayor pureza, mayor escalabilidad y producción de bajo costo.

La empresa lanzó su primera instalación de producción en Australia en 2023, con una capacidad de hasta 1 millón de litros de producción de recubrimiento para intercambiadores de calor al año.

El siguiente paso para la empresa será su tecnología de baterías basada en iones de aluminio y grafeno, con una densidad de 290 Wh/kg, 60 veces una carga más rápida que las baterías de iones de litio, 3 veces la vida útil de la batería y un mejor perfil de riesgo de incendio.

Fuente: GMG

Esta incursión en el mercado de baterías podría ser una gran apuesta para GMG, pero también le brinda una perspectiva única sobre el futuro mercado que podría abrirse para el grafeno, incluyendo en vehículos eléctricos y otras aplicaciones relacionadas con la energía.