Un material imposible se hace posible dentro de un sándwich de grafeno
Hacia nuevos materiales 2D
Los átomos se unen compartiendo electrones. La forma en que esto ocurre depende de los tipos de átomos, pero también de condiciones como la temperatura y la presión. En los materiales bidimensionales (2D), como el grafeno, los átomos se unen a lo largo de un plano para formar estructuras de un solo átomo de grosor, lo que da lugar a fascinantes propiedades determinadas por la mecánica cuántica. Investigadores de la Universidad de Viena, en colaboración con las Universidades de Tubinga, Amberes y CY Cergy París, junto con Danubia NanoTech, han producido un nuevo material 2D formado por átomos de cobre y yodo intercalados entre dos láminas de grafeno.
Una sola capa de yoduro cuproso encapsulada entre dos láminas de grafeno (átomos grises).
©2021 Kimmo Mustonen, Christoph Hofer und Viera Skákalová
El diseño de nuevos materiales permite mejorar la eficacia de las aplicaciones conocidas o crear aplicaciones totalmente nuevas que estaban fuera del alcance de los materiales existentes hasta ahora. De hecho, en los últimos cien años se han identificado decenas de miles de materiales convencionales, como los metales y sus aleaciones. Se ha predicho la existencia de un número similar de posibles materiales 2D, pero hasta ahora sólo se ha producido una fracción de ellos en los experimentos. Una de las razones es la inestabilidad de muchos de estos materiales en condiciones de laboratorio.
En el estudio reciente, los investigadores sintetizaron yoduro cuproso 2D estabilizado en un sándwich de grafeno, como primer ejemplo de un material que no existe en condiciones normales de laboratorio. La síntesis utiliza el gran espacio entre capas de las multicapas de grafeno oxidado, lo que permite que los átomos de yodo y cobre se difundan en el hueco y hagan crecer el nuevo material. Las capas de grafeno desempeñan aquí un papel importante al imponer una alta presión sobre el material en sándwich, que de este modo se estabiliza. La estructura de sándwich resultante se muestra en la ilustración.
"Como tantas veces, cuando vimos por primera vez el nuevo material en nuestras imágenes de microscopía, fue una sorpresa", dice Kimmo Mustonen, autor principal del estudio. "Nos llevó bastante tiempo averiguar de qué estructura se trataba precisamente. Esto nos permitió, junto con la empresa Danubia NanoTech, dirigida por Viera Skákalová, diseñar un proceso químico para producirlo a gran escala", continúa. Entender la estructura fue un esfuerzo conjunto de científicos de las universidades de Viena, Tubinga, Amberes y CY Cergy París. "Tuvimos que utilizar varias técnicas de microscopía electrónica para asegurarnos de que realmente estábamos viendo una monocapa de cobre y yodo y para extraer las posiciones exactas de los átomos en 3D, incluyendo los últimos métodos que hemos desarrollado recientemente", añade el segundo autor principal, Christoph Hofer.
Tras el yoduro de cobre 2D, los investigadores ya han ampliado el método de síntesis para producir otros nuevos materiales 2D. "El método parece ser realmente universal, ya que permite acceder a docenas de nuevos materiales 2D. Son tiempos realmente emocionantes", concluye Kimmo Mustonen.
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Publicación original
Kimmo Mustonen, Christoph Hofer, Peter Kotrusz, Alexander Markevich, Martin Hulman, Clemens Mangler, Toma Susi, Timothy J. Pennycook, Karol Hricovini, Christine M. Richter, Jannik C. Meyer, Jani Kotakoski & Viera Skákalová; "Towards Exotic Layered Materials: 2D Cuprous Iodide"; Advanced Materials; 2021
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