Del grafeno al Goldene: Los materiales avanzados de capa de un solo átomo abren nuevas puertas para futuros descubrimientos

Nadie de nosotros duda del valor del oro en nuestras mentes. Después de todo, es el depósito de valor más popular y de mayor tradición. Sin embargo, los avances científicos logrados por la civilización humana nos han llevado ahora a los umbrales del Goldene. Y podría ser un cambio de juego, por decirlo de alguna manera. Pero, ¿qué es Goldene? ¿Por qué la comunidad científica está tan entusiasmada con él? Profundicemos.

Goldene: Láminas de oro que son solo una capa de un átomo de espesor

Por primera vez, researchers from Linköping University, Suecia, han creado láminas de oro cuya espesor equivale a una sola capa de átomos. Los investigadores han llamado a esta derivación Goldene. Goldene puede ser útil para una serie de tareas sofisticadas, incluyendo la conversión de dióxido de carbono, la producción de hidrógeno y la fabricación de productos químicos de valor añadido. 

Según Shun Kashiwaya, investigador de la División de Diseño de Materiales de la Universidad:

“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 tiene una capa de un solo átomo de espesor, el oro puede convertirse en un semiconductor.”

¿Cómo se creó ‘Goldene’?

La invención comenzó con el desarrollo de un material base tridimensional creado al incrustar oro entre capas de titanio y carbono. A altas temperaturas, el silicio finamente laminado del Carburo de Silicio de Titanio fue reemplazado por oro, lo que llevó al descubrimiento del Carburo de Oro y Titanio. Sin embargo, fue un descubrimiento fortuito. Los investigadores buscaban recubrir el carburo de silicio de titanio, que es eléctricamente conductor, con oro para que pudiera hacer contacto.  

Para llevar a cabo su trabajo, los investigadores aprovecharon un método tradicional que ha existido como parte del arte de forja japonés durante más de cien años. El componente se llama reactivo de Murakami. Los investigadores lo usaron en diferentes concentraciones y durante distintos periodos de tiempo para finalmente alcanzar el componente. 

Aunque finalmente pudieron producir las láminas de oro con el espesor deseado de un solo átomo, era crucial estabilizarlas. Utilizaron un tensioactivo, una molécula larga para separar y estabilizar las láminas, como surfactante para asegurar que las láminas no se enrosquen. 

Al describir el resultado final y su validación científica, Shun Kashiwaya, uno de los investigadores, dijo lo siguiente:

“Las láminas doradas están en una solución, un poco como copos de maíz en leche. Usando un tipo de “tamiz”, podemos recoger el oro y examinarlo con un microscopio electrónico para confirmar que hemos tenido éxito. Lo cual hemos logrado.”

Las muchas aplicaciones potenciales de Goldene

Las aplicaciones potenciales de Goldene abarcan una amplia gama de campos, incluyendo la conversión de dióxido de carbono, catálisis generadora de hidrógeno, producción selectiva de productos químicos de valor añadido, producción de hidrógeno, purificación de agua, comunicaciones y mucho más.

En el seguimiento posterior, los investigadores planean explorar la posibilidad de reducir la cantidad de oro utilizada en estas aplicaciones y sustituir el oro por otros metales nobles. Estos nuevos compuestos podrían tener muchas más aplicaciones. 

Aunque Goldene promete abrir muchas nuevas puertas en cuanto a sus aplicaciones científicas y tecnológicas, la fascinación de la comunidad científica por los materiales de átomos de una sola capa no es nueva. 

El curioso caso de los materiales de átomos de una sola capa: Grafeno y más

Cada vez que hablamos de materiales de átomos de una sola capa, necesariamente discutimos el grafeno. Es popular por su potencial. Extraído del grafito, la forma cristalina del carbono, el grafeno es ligero, elástico y resistente. Además de su delgadez, tiene una alta resistencia, 200 veces mayor que el acero. Sin embargo, es cinco veces más ligero que el aluminio. También posee capacidad de absorción de luz y alta conductividad eléctrica y térmica.  

El grafeno está más en discusión estos días debido a un avance logrado recientemente donde los investigadores pudieron demostrar con éxito el primer semiconductor de grafeno funcional. Este descubrimiento puede conducir a cambios dramáticos en el mundo de la computación y la electrónica. 

Aunque el grafeno podría ser el material de átomos de una sola capa más popular y de mayor aplicación, existen varios otros ejemplos en la categoría. 

Los materiales de átomos de una sola capa también se conocen como materiales 2D no laminados. Se les llama así porque su formación ocurre mediante enlaces químicos en tres dimensiones (3D), lo que resulta en enlaces colgantes insaturados en la superficie e induce una superficie de alta actividad y alta energía. 

Además del grafeno, un ejemplo de este tipo de material de una sola capa es el fósforo negro, conocido como fosforeno. Entre otros materiales no laminados, tenemos ejemplos de silicona y germaneno. 

Debido a sus propiedades dependientes de la capa, efectos en los bordes de la capa y estructuras de banda variables, estos materiales a menudo exhiben un conjunto único de propiedades en sus bordes. Son modificables mediante tensión o campos eléctricos aplicados, lo que también les otorga propiedades de ajuste. 

Los calcogenuros metálicos, óxidos metálicos, semiconductores III-V y perovskitas orgánico-inorgánicas se encuentran entre algunos de los materiales de átomos de una sola capa o bidimensionales no laminados más comunes. 

Echemos un vistazo breve a algunos de los ejemplos de la vida real de dichos materiales. Ejemplos de calcogenuros metálicos incluyen disulfuro de molibdeno (MoS2), disulfuro de tungsteno (WS2) y diselenuro de tungsteno (WSe2), mientras que óxido de indio (In2O3), óxido de estaño (SnO2) y óxido de zinc (ZnO) son ejemplos principales de óxidos metálicos. 

Los semiconductores III-V obtienen su nombre del hecho de que comprenden un elemento del grupo III, como aluminio, galio o indio, enlazado a un elemento del grupo V, como fósforo, arsénico o antimonio. El arseniuro de galio y el fosfato de indio son ejemplos de semiconductores III-V. 

Ejemplos de perovskitas orgánico-inorgánicas incluyen yoduro de plomo de metilamonio (MAPbI3) y yoduro de plomo de formamidinio (FAPbI3).

Estos materiales podrían encontrar varias aplicaciones. Hay empresas que están construyendo soluciones basadas en ellos. En el siguiente segmento, los examinaremos. 

#1. Haydale Graphene Industries

La naturaleza inerte del grafeno dificultó su adopción. Haydale Graphene Industries, para solucionar el problema, desarrolló un proceso de polvo-entrante, polvo-saliente que podría superar sin problemas este problema de funcionalización por plasma. 

Este proceso que podría liberar el potencial del grafeno se conoció como Haydale HDPlas, un método seco, limpio y respetuoso con el medio ambiente que puede mejorar el grafeno y otros nanomateriales al conferirles la resistencia mecánica requerida y una mayor conductividad eléctrica y térmica. 

Haydale ha desarrollado muchas soluciones interesantes basadas en grafeno, incluyendo una gama de tintas de grafeno personalizables para dispositivos biomédicos, electrónica flexible, elementos calefactores y tecnología portátil. También es proveedor de nitruro de boro funcionalizado, conocido como grafeno blanco. Este material cerámico sintético es no tóxico y se puede encontrar en forma sólida y en polvo. Algunas de sus propiedades incluyen aislamiento, resistencia, peso y conductividad eléctrica. 

El portafolio de Haydale de grafeno funcionalizado y aditivos de nanomateriales también demuestra ser eficaz en la fabricación de productos de elastómeros. Estos pueden usarse en neumáticos de bicicleta y carretera de goma, suelas de calzado de goma, sellos y juntas. Los productos de grafeno de carburo de silicio de Haydale se utilizan en tratamientos de superficie cerámica-polímero para proteger productos de concreto. 

Utilizando grafeno, Haydale también ha desarrollado compuestos útiles, termoplásticos y herramientas de corte solar. 

Recientemente Haydale (AIM: HAYD) anunció sus resultados interinos para el año terminado el 31 de diciembre de 2023 (“FY23”). Según el informe, sus ingresos del grupo aumentaron un 38% a £2.47 millones (H1 FY23 £1.78 millones).

#2. Siemens

Otro caso de uso altamente avanzado para láminas de grafeno se pudo observar en la construcción de ciclotrones por parte de Siemens. Un grupo de investigadores utilizó láminas de grafeno como lámina extractora (stripper) en el ciclotrón Siemens Eclipse de 11 MeV. 

Estas láminas mostraron una conductividad térmica excepcionalmente alta en comparación con el carbono y una resistencia mecánica significativa. Su vida útil fue de más de 16,000 PA*H. El uso de láminas de grafeno también resultó en un aumento significativo del factor de transmisión — la proporción de la corriente del haz en la lámina stripper respecto a la corriente en el objetivo — que superó el 90%. 

El experimento mostró cómo las láminas de grafeno de una sola capa de átomos podrían competir eficientemente con otras láminas de carbono, que normalmente se usan como láminas stripper. 

Siemens es conocida en todo el mundo por fabricar productos de alta gama, sofisticados y con alta intensidad tecnológica. Que una empresa así utilice materiales de átomos de una sola capa en forma de lámina muestra el potencial de la categoría. 

En el FY 2023, Siemens earned a revenue of 19.66 billion Euros, a notable increase from 17.39 billion Euros recorded in 2022. 

Más exploraciones alrededor de los materiales de capa de un solo átomo

Investigaciones recientes mostraron que, además de materiales como Goldene o Graphene, el fósforo negro monolayer, también conocido como fosforeno, ofrece ventajas distintas en aplicaciones de detección. Científicos e investigadores atribuyen estos beneficios únicos a la estructura de red “acanalada” del fosforeno, que otorga al material una mayor relación superficie/volumen que el grafeno y los dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs). El fosforeno es versátil en sus aplicaciones y puede ser usado en varios escenarios de detección, incluyendo detección de gases, detección de humedad, fotodetección, bio-detección y detección de iones.

El fosforeno también muestra una promesa considerable en electrónica y optoelectrónica. Publicaciones científicas han revelado que sus propiedades electrónicas, de transporte, optoelectrónicas, termoeléctricas y mecánicas intrínsecamente anisotrópicas difieren marcadamente de las del grafeno y los dicalcogenuros de metales de transición. La facilidad de fabricación y las propiedades novedosas del fosforeno han impulsado el diseño y la demostración de nuevos nanodispositivos. 

Otro estudio señaló los beneficios de combinar grafeno y fosforeno. Para profundizar en cómo esta combinación podría ser útil, analizamos la posición comparativa de las baterías de iones de sodio como alternativa a las baterías de iones de litio. Mientras que las baterías de iones de sodio presentan rendimientos comparables a sus contrapartes de iones de litio, el desafío radica en desarrollar materiales de ánodo más viables. Y aquí es donde entra en juego la combinación grafeno-fosforeno. 

En un experimento científico, los investigadores demostraron su potencial. Un material híbrido compuesto por algunas capas de fosforeno intercaladas entre capas de grafeno pudo mostrar una capacidad específica de 2.440 mA h g⁻¹ (calculada usando solo la masa de fósforo) a una densidad de corriente de 0,05 A g⁻¹ y una retención de capacidad del 83 % después de 100 ciclos, operando entre 0 y 1,5 V. 

Los investigadores usaron microscopía electrónica de transmisión in situ y técnicas de difracción de rayos X ex situ para explicar la gran capacidad del ánodo que desarrollaron. Lo desarrollaron mediante un mecanismo dual de intercalación de iones de sodio a lo largo del eje x de las capas de fosforeno, seguido de la formación de una aleación Na₃P. 

Otro material de capa de un solo átomo que ha capturado con éxito la imaginación de la comunidad científica es el germaneno. El interés en el germaneno se centra principalmente en sus propiedades ópticas. Los cálculos relevantes han demostrado que la lámina de germaneno tiene una absorción de luz significativa en el espectro solar y muestra anisotropía óptica. 

El germaneno es único porque es un semiconductor con banda prohibida cero y dispersión lineal de banda alrededor del punto K. Mientras que la apertura de la banda prohibida ocurre en presencia de un voltaje de polarización, aumenta linealmente con la intensidad creciente del voltaje de polarización. 

Por lo tanto, no solo el goldene sino un conjunto de materiales de capa de un solo átomo, incluyendo grafeno, fosforeno, germaneno y más, están a punto de abrir nuevas fronteras científicas para futuros descubrimientos. 

Debemos mantener nuestro enfoque firme en las propiedades de estos materiales. Solo entonces podremos descubrir más aplicaciones. Debemos recordar que la alta actividad superficial de los materiales 2D no laminados los convierte en catalizadores útiles para reacciones cruciales, como la oxidación del dióxido de carbono y la reducción del agua. 

Estos materiales han demostrado su valor en el almacenamiento y conversión de energía al ayudar a diseñar pilas de combustible y células solares. En optoelectrónica, sus propiedades resultan en la producción de diodos emisores de luz, láseres y sensores de alta calidad. Sus propiedades de aislamiento topológico también ayudan a crear aislantes que conducen electricidad en su superficie pero aíslan en el interior. 

En conjunto, los materiales avanzados de capa de un solo átomo son puertas de entrada a una multitud de oportunidades. En el futuro, ¡seremos testigos de una adopción generalizada, sin duda! 

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