Nuevas clases de sustancias para los nanomateriales
Nanoesferas y láminas de diamante de silicio y germanio
Químicos de la Universidad Goethe de Fráncfort han desarrollado dos nuevas clases de materiales en el campo de los nanomateriales y los han investigado junto con sus socios de cooperación de la Universidad de Bonn: por primera vez, han logrado producir una nanoesfera de átomos de silicio y un bloque de construcción para un cristal similar al diamante de los elementos semiconductores silicio y germanio. Las dos nuevas clases de materiales tienen aplicaciones potenciales en la miniaturización de los chips informáticos, en las pantallas de alta resolución de los teléfonos inteligentes y en las células solares y los diodos emisores de luz con los más altos niveles de eficiencia.
La esfera de silicio [Cl@Si20H20]-, sintetizada por primera vez por químicos de la Universidad Goethe de Fráncfort, promete nuevas aplicaciones en la tecnología de los semiconductores. Azul: silicio, ion cloruro verde, gris: hidrógeno.
Goethe University Frankfurt
Bloque de construcción para aleaciones de silicio-germanio: Una sección del adamantano de silicio-germanio sintetizado en Fráncfort (mostrado aquí sin sustituyentes). Azul: silicio, magenta: germanio.
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Las últimas generaciones de chips informáticos tienen un tamaño de sólo unos pocos nanómetros y son cada vez más potentes y ahorradores de energía gracias a su progresiva miniaturización. Dado que los procesos de grabado utilizados tradicionalmente en la producción de chips están alcanzando cada vez más sus límites, es esencial el desarrollo de nuevos materiales semiconductores nanoestructurados. Estos nano semiconductores también desempeñan un papel fundamental en la conversión de la electricidad en luz y viceversa.
Un equipo de la Universidad Goethe de Fráncfort, dirigido por Matthias Wagner, ha logrado sintetizar nanoesferas moleculares de 20 átomos de silicio, los llamados silafulleranos. La segunda clase de materiales nuevos son bloques de construcción de cristales hechos de 10 átomos de silicio y germanio que tienen una estructura similar a la del diamante. Los análisis teóricos por ordenador del grupo de investigación de Stefan Grimme, en Bonn, han aportado información decisiva sobre las estructuras electrónicas de los nuevos compuestos.
Los 20 átomos de silicio del silafullerano forman un dodecaedro, un cuerpo compuesto por pentágonos regulares. Encierra un ion de cloruro. Un átomo de hidrógeno sobresale en cada esquina del cuerpo de silicio. El estudiante de doctorado Marcel Bamberg, que sintetizó la molécula, explica: "Nuestro silafullerano es el progenitor largamente buscado de esta nueva clase de sustancias. Los átomos de hidrógeno pueden sustituirse fácilmente por grupos funcionales, lo que confiere al silafullerano diferentes propiedades". El químico cuántico de Bonn Markus Bursch añade: "Apoyamos la generación dirigida de propiedades potencialmente útiles con predicciones teóricas de sus efectos resultantes".
El adamantano de silicio y germanio representa el bloque de construcción de una aleación mixta de silicio y germanio. Benedikt Köstler, que está desarrollando los compuestos como parte de su tesis doctoral, afirma: "Estudios recientes han demostrado que las aleaciones de silicio-germanio son superiores a los semiconductores de silicio puro en importantes áreas de aplicación. Sin embargo, la producción de estas aleaciones es muy difícil y a menudo se obtienen mezclas de diferentes composiciones. Hemos conseguido desarrollar una vía de síntesis sencilla para el componente básico de las aleaciones de silicio-germanio. Por tanto, nuestro adamantano de silicio-germanio permite investigar importantes propiedades químicas y físicas de las aleaciones de silicio-germanio en el modelo molecular. También queremos utilizarlo en el futuro para producir aleaciones de silicio-germanio con estructuras cristalinas impecables".
El carbono, que es químicamente muy similar a los elementos silicio y germanio, se presenta en formas comparables a las dos nuevas clases de sustancias: Las esferas huecas de átomos de carbono ("fullerenos") corresponden a los silafulleranos, y los diamantes formados por carbono están compuestos por subunidades de adamantano. Entre otras cosas, los fullerenos aumentan la eficiencia de las células solares orgánicas, podrían hacer más seguras las baterías de los coches eléctricos y prometen avances en la superconductividad de alta temperatura. Los nanodiamantes también tienen una amplia gama de aplicaciones, desde los productos farmacéuticos hasta la investigación de la catálisis.
En este contexto, los investigadores de Fráncfort y Bonn están deseando ver en qué campos se impondrán sus silafulleranos y adamantanos de silicio-germanio. Matthias Wagner afirma: "Ya es posible generar luz en todos los colores del espectro visible con silicio y germanio nanoestructurados en forma de puntos cuánticos, y esto se está probando para las pantallas de ordenadores y teléfonos móviles, así como en las telecomunicaciones". Aparte del potencial químico-técnico, personalmente me fascina la alta simetría de nuestros compuestos: Por ejemplo, nuestro silafullerano es uno de los cinco sólidos platónicos y posee una belleza intemporal".
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Publicación original
(1) Marcel Bamberg, Markus Bursch, Andreas Hansen, Matthias Brandl, Gabriele Sentis, Lukas Kunze, Michael Bolte, Hans-Wolfram Lerner, Stefan Grimme, Matthias Wagner; "[Cl@Si20H20]−: Parent Siladodecahedrane with Endohedral Chloride Ion"; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 10865–10871.
(2) Benedikt Köstler, Michael Bolte, Hans-Wolfram Lerner, Matthias Wagner; "Selective One-Pot Syntheses of Mixed Silicon-Germanium Heteroadamantane Clusters"; Chem. Eur. J.
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