La investigación y desarrollo de materiales bidimensionales (2D) es una dirección nueva y prometedora de la ciencia de los materiales.
Tales materiales tienen un espesor diminuto —menos de un nanómetro con frecuencia—. Por eso se los puede usarlos para crear heteroestructuras formadas por capas que se usan en los equipos electrónicos actuales: desde los transistores y sensores hasta los paneles solares y diodos emisores de luz. Los empleados de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Rusia MISIS (NUST MISIS) están investigando las tecnologías de creación y las propiedades de nanomateriales bidimensionales.
La capa fina es la más importante
La característica principal del material bidimensional consiste en que todos sus átomos se encuentran en la capa superficial. En la química y la cristalografía esto quiere decir que cada elemento de la superficie del material tiene muchos enlaces libres o no compensados. Esta es la causa de una actividad química más alta de tales materiales y de una gran diferencia de las propiedades en comparación con el estado masivo. Los enlaces libres hacen posible cambiar sus funciones por modificar la superficie.
El material bidimensional más conocido es grafeno. En 2010, el Premio Nobel de Física se otorgó por su descubrimiento. El grafeno posee una alta conductividad térmica y eléctrica y una elevada resistencia a la tracción. Al mismo tiempo, forma pliegues y resulta inestable como una película aislada.
Las tecnologías modernas de creación del grafeno reforzado resuelven este problema. Además, se han desarrollado métodos para obtener películas de grafeno sin defectos de gran superficie que pueden usarse como electrodos transparentes en varios equipos. Se han desarrollado también métodos para obtener escamas de óxido de grafeno que empiezan a usarse con frecuencia como sustancias de relleno en composites poliméricos.
El grafeno posee la conductividad más similar a la de los metales, lo que hace difícil su uso para crear elementos de esquemas lógicos. Por eso, para el uso en equipos electrónicos y la creación de sensores, están investigándose otros materiales bidimensionales: calcogenuros de metales de transición. Son semiconductores y se distinguen por tipos de conducción.
Los científicos estudian también estructuras bidimensionales más complicadas como MXene, que poseen varias propiedades únicas para materiales cerámicos, una conductividad alta y la capacidad de deformación plástica.
La ciencia muestra interés hacia las propiedades de cada nuevo material bidimensional que podría usarse en equipos técnicos.
Sedimentación, molienda o floculación
Los investigadores desarrollan hoy varios métodos para obtener los materiales bidimensionales. El método de sedimentación química de la fase gaseosa permite crear películas de buena calidad de muchos materiales bidimensionales (aunque es demasiado costoso). Los métodos de exfoliación química de materiales formadas por capas permiten obtener dispersiones y escamas cuyo espesor es de varias capas de átomos.
Existen métodos de molienda de alta energía en molinos planetarios y métodos combinados en que se obtienen fases intermedias y posteriormente el material se divide en escamas muy finas por acción química. El método de cavitación ultrasónica de alta intensidad hace posible obtener estructuras bidimensionales del estado masivo.
Cada método ejerce una fuerte influencia sobre las propiedades del material que se obtiene. Por ejemplo, para crear equipos electrónicos son más eficaces los métodos de sedimentación química de la fase gaseosa o deposición de capas atómicas que hacen posible controlar el espesor y el tamaño de elementos, la pureza y la morfología del material.
A pesar de que actualmente las películas de la mejor calidad se obtienen mediante la sedimentación química de la fase gaseosa, en sus primeros trabajos Andre Geim y Konstantín Novosiolov realizaron mediciones en el grafeno obtenido con el uso de la cinta adhesiva en escamas de superficie muy pequeña. Hoy las dispersiones de escamas superfinas que se puede usar ya se venden.
Los métodos de obtención de otros materiales están ensayando en laboratorios todavía, mientras, en cuanto los científicos encuentren la dirección más prometedora de su implantación, la tecnología se desarrollará rápidamente.
Materiales bidimensionales en Rusia
Los empleados del Departamento de Nanosistemas Funcionales y Materiales de Altas Temperaturas de la NUST MISIS desarrollan calcogenuros de metales de transición para paneles solares, diodos emisores de luz y sensores. Investigan también el óxido de grafeno como un recubrimiento que puede elevar la resistencia a la corrosión de varios tipos de acero y los métodos de obtención de las estructuras como MXene que representan carburos de titanio y vanadio formados por capas que ya mostraron resultados interesantes.
«Una interacción intensa de nuestro equipo con el profesor de la Universidad italiana Tor Vergata, Aldo Di Carlo, sobre nanomateriales bidimensionales contribuyó a la obtención de una mega subvención y la creación de un nuevo laboratorio. Una parte importante de la actividad del laboratorio está dirigida al uso de varios tipos de nanomateriales bidimensionales para crear paneles solares de la perovskita», cuenta a RIA Novosti el empleado de este departamento, Dmitri Murátov.
Según el científico, es un ejemplo de una interacción eficaz: los expertos en la ciencia de los materiales sintetizan e investigan las propiedades de los nuevos materiales más apropiados para el uso en paneles solares, los expertos en semiconductores crean estos equipos y estudian sus parámetros de funcionamiento.
«Además, estamos cooperando en el ámbito de obtención e investigación de las propiedades de composites con el Centro de Composites de la NUST MISIS, el grupo encabezado por Andréi Stepashkin. Pronuncié discursos sobre nuestro trabajo con los composites y nanoestructuras de nitruro de boro ante nuestros colegas extranjeros, por ejemplo en España, en la conferencia Ismanam», señala Dmitri Murátov.
El experto dijo que los científicos de la NUST MISIS crearon los composites que transmiten calor mejor que los laminados de fibra de vidrio tradicionales. La base polimérica era polietileno de alta densidad y en calidad de material de relleno se usó el nitruro de boro tratado para que obtenga las propiedades necesarias. Desde el punto de vista de reprocesamiento, los materiales obtenidos resultaron más rentables que los conocidos materiales similares. Además, son capaces de resolver el problema de calentamiento de placas de circuitos impresos en equipos electrónicos.
Cooperación internacional
La NUST MISIS desarrolla hoy una cooperación en el ámbito de síntesis de materiales bidimensionales e investigación de sus propiedades con la Universidad de Nebraska-Lincoln (EEUU). Esta cooperación comenzó después de que en la NUST MISIS se anunciaron concursos dirigidos al desarrollo de la infraestructura, en el marco del programa federal ’Proyecto 5-100′, que preveían invitar a un científico eminente para dirigir un equipo científico y llevar a cabo investigaciones sobre un tema prometedor.
«Se invitó a trabajar con nosotros el profesor titular, Alexander Sinitski, de la Universidad de Nebraska-Lincoln. En 2016, presentamos una solicitud conjunta sobre nanomateriales bidimensionales para un concurso y lo ganamos. Posteriormente, comenzó nuestra cooperación en el sentido de que pasé prácticas en EEUU en el laboratorio de Alexander Sinitski, para aprovechar la experiencia obtenida para poder llevar a cabo ensayos en nuestro Departamento también», destaca Dmitri Murátov.
Según el experto, esto conllevó el intercambio de experiencia a nivel internacional entre los estudiantes de Máster, estudiantes de posgrado y empleados del Departamento. Tras el inicio de la cooperación, se publicaron varios artículos conjuntos sobre los materiales bidimensionales en revistas internacionales y se puso en marcha un dispositivo para sintetizarlos mediante la sedimentación química de la fase gaseosa.
Los científicos presentaron los resultados de trabajo con el óxido de molibdeno (MoO2) en la revista científica Nanotechnology. Se obtuvo un material bidimensional mediante la sedimentación química de la fase gaseosa que posteriormente se estudió de manera integral con el uso de métodos de análisis. Por ejemplo, en la revista científica ACS Nano se publicó hace poco un artículo sobre el sulfuro de titanio.
«Se consiguieron ya unos resultados muy buenos en el ámbito de conductividad del material obtenido y la posibilidad de obtener capas muy finas que posean alta conductividad de MoO2 (en este caso, cristales) y sean estables en el aire en varios sustratos. Usaremos los resultados obtenidos en las investigaciones siguientes», declara Dmitri Murátov.
Según el científico, se podrá usar el nuevo material para crear heteroestructuras y nanoequipos: transistores, sensores, fotodetectores, etc. Ahora los materiales creados por la NUST MISIS junto con la Universidad de Nebraska-Lincoln se implantan como capas de transporte para paneles solares de película delgada, diodos emisores de luz y sensores. Se avanza también en el ámbito de la creación de materiales compuestos de matriz polimérica llenados con nanomateriales bidimensionales.
