Los materiales 2D tienen un átomo de espesor, esto es, una sola capa de espesor con propiedades diferentes al cristal del que proceden. Este campo de estudio inició con el aislamiento del grafeno a partir de la exfoliación mecánica del grafito en el 2004. Detrás del grafeno surgieron materiales con propiedades similares, entre ellos, el nitruro de boro (cuya abreviatura es h-BN), también conocido como grafeno blanco. En forma de cristal, es blanquecino, a diferencia del grafeno, que en forma de cristal es el grafito gris presente, por ejemplo, en las láminas de los lápices. El grafeno está compuesto por átomos de carbono arreglados en estructuras hexagonales, similar a un panal de abejas. La misma estructura se ve en el nitruro de boro, pero, en lugar de tratarse de carbono, está compuesto por átomos nitrógeno y boro alternados, formando una estructura hexagonal. Geométricamente son similares, pero su estructura electrónica (distribución de la nube electrónica) es diferente.

Estos materiales tienen propiedades muy diferentes a las que se encuentran cuando se apilan para formar el cristal, es decir cuando la estructura es 3D. Con una sola lámina de un átomo de espesor, las propiedades físicoquímicas son diferentes. En la práctica, los materiales 2D hay que depositarlos sobre algo, necesitan un soporte, por ejemplo, un metal. “El problema es que, explica el profesor de la UTPL, Jorge Ontaneda, muchas veces, en cuanto se deposita la nanohoja sobre un soporte, las propiedades del material pueden cambiar. Estos cambios pueden ser deseables o no. La idea es buscar el soporte adecuado para que mantenga las propiedades deseadas”.

“Las posiciones atómicas de la nanohoja (material 2D) deben coincidir en lo posible con las posiciones del soporte, de manera que el grado de inconmensurabilidad sea bajo, 1% o menos. Uno de los mejores candidatos es el níquel (Ni) porque, prácticamente, el parámetro de red de la superficie de níquel prácticamente coincide con la del nitruro de boro, entonces, es un candidato perfecto”, añade el profesor. Había evidencia experimental que indicaba que el nitruro de boro sobre níquel tenía propiedades catalíticas (el nitruro de boro es químicamente inerte), y un equipo en el que participa el profesor Ontaneda se puso a investigar esta interfaz (h-BN/Ni). Descubrieron que hay dos posiciones: quimisorción (las interacciones entre ambos materiales son bastante fuertes haciendo que la lámina de nitruro de boro tienda a arrugarse); y fisisorción (las interacciones son débiles y el material prácticamente no se corruga). “En otras palabras, explica Ontaneda, se observó dos situaciones diferentes: una, en la que se puede utilizar como catalizador, y otra, más para recubrimiento y para evitar corrosión, por ejemplo”, afirma.

En el estudio que desarrolló el equipo de investigación de Jorge Ontaneda se recurrió a simulaciones por computación para entender las interacciones a nivel molecular. “Mucha de la información a nivel molecular es muy difícil conseguir experimentalmente, por eso se recurre a simulaciones computacionales para entender el comportamiento de materiales funcionales cuyo origen se encuentra en su estructura electrónica. Así se obtiene muchos datos relevantes, por ejemplo, transferencias de carga, estados de transición, energías de interacción, hibridación, etc.”

Algunos estudios experimentales indicaban que el material se absorbe químicamente (corrugación y distancias de enlace relativamente cortas entre soporte y nanohoja), pero otros estudios indicaban que las distancias de enlace entre estos dos sistemas eran relativamente grandes (el material permanece prácticamente intacto, sin corrugación, etc.). “Esta discrepancia la solventamos nosotros con el estudio y encontramos que, bajo determinadas condiciones experimentales, ¡se dan las dos! Ninguno está equivocado. Existen las dos y todo depende de las condiciones experimentales. Nuestro artículo ganó relevancia pues recientemente se publicaron resultados de la investigación de otro equipo que indica que el grafeno puede absorberse de dos maneras en silicio, según la presión aplicada, sea quimisorción (bajo grandes presiones, mayores a 10 GPa) o fisisorción ¿Cómo es que se dan esos dos? Simplemente por cambiar la presión. Entonces había evidencia experimental (en otro material) que ambos estados de absorción eran posibles.

Este reportaje forma parte de la Revista Perspectivas de Investigación, edición #53, correspondiente a los meses junio-julio 2020. Si quieres acceder a la revista completa clic aquí.