Un equipo internacional de científicos afirma haber integrado con éxito un par de materiales bidimensionales “fundamentalmente diferentes” en un tercer material 2D totalmente nuevo con propiedades exóticas llamado “glaphene”.

El nuevo material híbrido, integrado químicamente y desarrollado por un equipo dirigido por científicos de materiales de la Rice University, combina el grafeno bidimensional, una lámina de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal que actúa como conductor, con el vidrio de sílice bidimensional, un aislante.

A diferencia de los esfuerzos anteriores, que consistían en apilar diferentes materiales bidimensionales para aprovechar las exóticas propiedades de ambos, el nuevo método ha unido químicamente las capas, dando lugar a un material novedoso con propiedades eléctricas y conductoras únicas heredadas de los materiales que lo componen.

Sathvik Iyengar, estudiante de doctorado en Rice y primer autor del estudio que detalla los hallazgos del equipo, dijo en un comunicado:

“Las capas no solo se apoyan unas sobre otras, sino que los electrones se mueven y forman nuevas interacciones y estados de vibración, dando lugar a propiedades que ninguno de los materiales tiene por sí solo.

Esto no era algo que pudiera hacer un solo laboratorio. Esta investigación ha sido un esfuerzo transcontinental para crear y comprender un material que la naturaleza no produce por sí sola”.

Creación de grafeno bidimensional con propiedades exóticas de otros materiales bidimensionales

Desde la creación del primer grafeno fabricado en laboratorio, los científicos han quedado fascinados con sus propiedades eléctricas, fotónicas y conductivas únicas. Varios nuevos materiales 2D también han mostrado propiedades inusuales como el electromagnetismo y la superconductividad (en las condiciones adecuadas), pero combinar los materiales para aprovechar las propiedades de cada uno de ellos en aplicaciones electrónicas novedosas ha resultado ser un reto.

El método más común para combinar un material 2D con otro consiste en apilarlos como hojas de papel. Debido a sus propiedades materiales inusuales, estas hojas se mantienen unidas sin ningún adhesivo añadido por las débiles fuerzas de van der Waals, que ofrecen poco más que la adhesión de un imán de nevera.

El equipo de la Universidad Rice se preguntó si un enfoque diferente podría permitir una unión más fuerte de materiales 2D dispares que conservaran algunas o todas las propiedades inusuales de cada uno de ellos, lo que los haría potencialmente valiosos en aplicaciones electrónicas exóticas como hologramas 3D, ordenadores cuánticos y sistemas de IA avanzados. Finalmente, decidieron explorar la unión química de los dos materiales, que debería ser mucho más fuerte que una débil unión de van der Waals.

Sathvik Iyenga. Crédito de imagen: Jeff Fitlow / Rice University

Un verdadero híbrido con nuevas propiedades electrónicas y estructurales

Tras varios experimentos, el equipo desarrolló un proceso de dos pasos y una sola reacción para crear su glaphene híbrido. Esto supuso varios meses de trabajo con Anchal Srivastava, profesor visitante de la Banaras Hindu University, en la India, para crear un aparato personalizado de alta temperatura y baja presión.

Después de cargar el aparato con un precursor químico líquido que contenía silicio y carbono, el equipo inició la reacción. Ajustando manualmente los niveles de oxígeno dentro del aparato, el equipo de la Universidad Rice consiguió que el precursor creciera y se convirtiera en grafeno. En el segundo paso, el equipo ajustó las condiciones dentro del aparato para favorecer la formación de una capa de sílice 2D.

El resultado fue un material bidimensional compuesto por grafeno y sílice unidos en la capa química. A diferencia de los materiales bidimensionales apilados, el equipo afirma que la unión de su nuevo glaphene era mucho más fuerte, “lo que permitía que los electrones fluyeran entre ellos y daba lugar a comportamientos completamente nuevos”.

Iyengar afirmó:

“Esa configuración fue lo que hizo posible la síntesis. El material resultante es un verdadero híbrido con nuevas propiedades electrónicas y estructurales”.

A continuación: animación que representa la excitación vibratoria colectiva del grafeno: las interacciones en el material híbrido van más allá de las pilas de capas bidimensionales observadas convencionalmente. (Cortesía de Sathvik Iyengar / Rice University)

“Mezclar ideas que otros dudan en mezcla”

Tras crear con éxito el glaphene, el equipo de Rice se puso en contacto con Manoj Tripathi y Alan Dalton, de la University of Sussex, para confirmar su estructura química. Esa prueba también reveló algunas lecturas inusuales de vibración atómica. Sin embargo, Marcos Pimenta, experto en espectroscopia con sede en Brasil, ayudó a Iyengar a determinar que se trataba de un artefacto del instrumento y no de una vibración novedosa. Aun así, el proceso confirmó los átomos de grafeno y sílice unidos químicamente de forma única, lo que lo convierte en un material completamente nuevo.

Para verificar los resultados experimentales con simulaciones cuánticas del comportamiento de las capas de grafene 2D unidas a nivel atómico, el equipo colaboró con Vincent Meunier, de la Pennsylvania State University. Según Meunier, un análisis más detallado del grafene creado en el laboratorio reveló que las capas de grafeno y sílice estaban unidas de una forma novedosa, lo que les permitía compartir parcialmente los electrones a través de la interfaz.

En efecto, el equipo convirtió un metal (el grafeno) y un aislante (la sílice) en un tipo de semiconductor híbrido totalmente nuevo que no existe en la actualidad. Iyengar afirmó que esta exitosa hibridación de materiales 2D abre la puerta a la creación de clases totalmente nuevas de materiales 2D con propiedades exóticas, como metales con aislantes o imanes con semiconductores, “para crear materiales a medida desde cero”.

Iyengar dijo:

“Desde que empecé mi doctorado, mi asesor me ha animado a explorar la mezcla de ideas que otros dudan en mezclar”.

Iyengar agregó:

“El profesor Ajayan también ha dicho que la verdadera innovación se produce en las encrucijadas de la duda, y este proyecto es prueba de ello”.

Los hallazgos de la investigación titulada “Sathvik Ajay Iyengar et al, Glaphene: A Hybridization of 2D Silica Glass and Graphene” han sido publicados en la revista Advanced Materials.

[FT: phys.org]

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Por: CodigoOculto.com