En la última década se han descubierto numerosos materiales formados por capas de uno o pocos átomos de espesor. Entre ellos destacan el grafeno y otros como el siliceno, el fosforeno o los dicalcogenuros de metales de transición.
Y es que la tabla periódica ofrece numerosas vías para crear este tipo de materiales, cuyas estructuras bidimensionales presentan propiedades nunca antes vistas. Su estudio ha dado lugar, de hecho, a una nueva disciplina entre la física y la química, que ahora se encuentra en plena expansión.
Desarrollo
En 2004 los físicos Andre K. Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester, lograron aislar las primeras láminas de un nuevo material: el grafeno. Este alótropo del carbono —propiedad de algunas sustancias simples de poseer estructuras atómicas o moleculares diferentes—, formado por capas de un solo átomo de espesor, se presentaba ante todo el mundo avalado por su extrema flexibilidad, ligereza y resistencia, así como por su excelente capacidad para conducir el calor y la electricidad.
Aquel hallazgo, que se vería recompensado pocos años después con la concesión del Nobel de Física, abrió un abanico de nuevos horizontes en investigación fundamental y en tecnología.
Las características que hacen único al grafeno han catalizado la aparición y el regreso de nuevas familias de nanomateriales con base en sistemas laminares. Actualmente existe un menú formado por materiales tan variados como los dicalcogenuros de metales de transición, caracterizados por sus propiedades semiconductoras, superconductoras e incluso magnéticas, aislantes como el nitruro de boro, haluros metálicos con propiedades ferromagnéticas y, por último, el grupo de los “xenos” —siliceno, germaneno, estaneno, fosforeno, etcétera— que, al igual que el grafeno, constan de un único elemento y destacan por sus potenciales propiedades topológicas.
Adelantos
La innovación química tiene un gran impacto en la calidad de vida de las personas e influye en lo cotidiano afectando áreas que van desde los materiales que conforman un hogar hasta las infraestructuras digitales que sustentan nuestra sociedad digitalizada.
Algunas de las múltiples funciones de los innovadores materiales que ofrece la química son su eficiencia energética, robustez, ligereza, conductividad térmica, flexibilidad, seguridad contra incendios, total reciclabilidad, facilidad de instalación y desmontaje y características de autolimpieza, entre otros.
Destaca entre las nuevas innovaciones de materiales el borofeno. Sintetizado por primera vez en 2015, este material con base en el boro es más fuerte y más flexible que su antecesor, además de ligero y muy reactivo.
A pesar de que es difícil de crear y manejar, químicos, físicos y otros científicos ya están entusiasmados con su extraordinaria gama de aplicaciones. Los electroquímicos estiman que el borofeno podría convertirse en el material del ánodo en una nueva generación de baterías de iones de litio más potentes. Los químicos destacan sus capacidades catalíticas en tanto que los físicos prueban sus habilidades como sensor para detectar numerosos tipos de átomos y moléculas. El borofeno es más fuerte que el grafeno y más flexible. Es un buen conductor tanto de electricidad como de calor y también funciona como superconductor.
Otro material que los investigadores consideran como revolucionario es el níquel. Científicos de las universidades de Pensilvania y Cambridge desarrollaron una lámina de níquel con poros a nanoescala que la hacen tan fuerte como el titanio, pero cuatro o cinco veces más liviana. Denominada como “madera metálica” su aspecto y su naturaleza celular es similar a la de la madera y se compone de casi 70% de espacio vacío. Esto le entrega una densidad tan baja con relación a su resistencia que incluso podría flotar en el agua.
Actualmente su investigación se mantiene en una escala muy pequeña pero se espera su evolución con el fin de identificar y someter a prueba las propiedades del material en tamaños relevantes para su aplicación en proyectos reales de arquitectura y construcción.
El número de materiales bidimensionales conocidos continúa creciendo y cautivando a la ciencia por sus sorprendentes propiedades. Cada vez más investigadores exploran las posibilidades que ofrece la tabla periódica para diseñar y fabricar materiales de uno o unos pocos átomos de espesor. Son físicos, químicos, expertos en ciencia de materiales e ingenieros electrónicos que complementan sus esfuerzos desde diferentes partes del mundo para formar las sociedades del futuro, más eficientes y marcadas, entre otros avances, por la revolución nanotecnológica que auguran estos materiales.
Materiales bidimensionales
Sus propiedades pueden cambiar de manera muy drástica con el tamaño. A medida que se acerca a la monocapa atómica las leyes cuánticas dominan y los electrones adquieren un nuevo comportamiento, lo que confiere al material nuevas propiedades. Así algunos semiconductores, como el grafito de las minas de los lápices, se convierten en semimetales, como el grafeno, mientras que otros adquieren propiedades que los convierten en candidatos óptimos para constituir los dispositivos electrónicos del futuro. Pero además las películas de uno o pocos átomos de espesor pueden combinarse entre sí como si de piezas de Lego se tratara, lo que expande aún más el abanico de posibilidades.
Fuente: Scientific American