Materiales 2D: Las láminas más finas del mundo

Jorge Ontaneda, del Departamento de Química de la Universidad Técnica Particular de Loja, es coautor de un artículo científico de alto impacto, publicado por la revista "Physical Chemistry Chemical Physics". Veamos de qué trata su investigación y el porqué del interés en esta.

Arreglo hexagonal de un material 2D. Fuente: Graham Templeton, agosto 2015.

¿MATERIALES DE DOS DIMENSIONES?

Desde el 2010, hay una corriente de investigaciones centradas en el dominio de la físico-química respecto a los materiales de dos dimensiones (2D). Su principal característica es que son materiales extremadamente delgados ya que tienen tan solo un átomo de espesor, o lo que el lo mismo, un millón de veces más fino que el diámetro de un cabello humano.

Podemos imaginarlos como láminas muy delgadas (‘nanohojas’) en forma hexagonal cuya estructura se asemeja a la de un panal de abejas.

De estos materiales, el que ha recibido más atención en los últimos años ha sido el grafeno. Este es un arreglo de átomos de carbono: una composición similar a la que se usa en el grafito de los lápices. Sus inusuales propiedades físicas (resistencia y flexibilidad mayores a las del acero) y químicas (conductor eléctrico y térmico) podrían ser aplicadas en las industrias del transporte, medicina, electrónica, energía, entre otras.

Con el descubrimiento del grafeno surgieron otros materiales con características similares; entre ellos, una formación hexagonal a partir del compuesto de nitrógeno y boro. Este nitruro de boro se conoce también como ‘grafeno blanco’, por su color cuando se encuentra en estado normal (3D).

EL DEBATE QUE SUSCITÓ EL NITRURO DE BORO

Las ‘nanohojas’ son tan finas que, en situaciones prácticas, deben ser colocadas sobre otro material. El problema es que cuando se deposita sobre un soporte, las propiedades deseadas del material 2D pueden desaparecer o cambiar. Por ello, se busca que las posiciones atómicas de la lámina coincidan, más o menos, con las posiciones del soporte. Así, para el grafeno suele utilizarse un soporte de silicio, mientras que para el nitruro de boro puede utilizarse níquel.

Ahora, experimentalmente se había observado que las interacciones entre el nitruro de boro y el níquel podían manifestarse con fuertes enlaces (interface química) o enlaces más débiles (interface física). Esta disyunción entre diferentes investigaciones presentaba un debate en la comunidad científica, especialmente porque distintas interacciones (o tipos de absorción del material 2D) conllevan a distintas aplicaciones.

UNIFICANDO AMBAS POSICIONES

La investigación del docente UTPL, Jorge Ontaneda, sugiere que, bajo determinadas condiciones, es posible obtener interacciones químicas y físicas entre el nitruro de boro y el níquel. En otras palabras, el material 2D puede absorberse en su soporte de ambas maneras.

Esto lo demostró el equipo de investigación teóricamente. Usaron simulaciones en computadoras para entender qué ocurría a nivel molecular entre el nitruro de boro y el níquel. Así recabaron información sobre las propiedades de esta interacción, que de manera experimental sería muy difícil obtener: datos sobre las transferencias de carga, las distancias a las que ocurre cada tipo de interacción, los niveles de corrugación del material 2D, y demás.

APLICACIONES DE ESTA LÍNEA DE INVESTIGACIÓN

Entender las interacciones entre el material 2D y su soporte, puede traducirse en varias aplicaciones industriales. Por ejemplo, un enlace fuerte entre ellos sería útil para el desarrollo de catalizadores, por sus reacciones químicas; mientras que, un enlace débil podría devenir en potentes recubrimientos que eviten la corrosión de metales.

Otra importante aplicación podría darse en la electrónica. Distintas interacciones podrían significar diferentes propiedades de la conductividad eléctrica. La alteración de la conductividad es la base de los dispositivos electrónicos, ya que todos ellos usan semiconductores llamados ‘transistores’. Por ende, investigar el nitruro de boro podría llevar al desarrollo de componentes electrónicos extremadamente pequeños.