30.08.2021 - Northwestern University

Los ingenieros crean por primera vez una doble capa de borofeno

Un nuevo material mantiene las propiedades electrónicas del borofeno y ofrece nuevas ventajas

Por primera vez, los ingenieros de la Universidad Northwestern han creado una doble capa de borofeno atómicamente plana, una hazaña que desafía la tendencia natural del boro a formar agrupaciones no planas más allá del límite de la capa monoatómica.

Aunque es conocido por sus prometedoras propiedades electrónicas, el borofeno -una lámina de boro de un átomo de grosor- es difícil de sintetizar. A diferencia de su material bidimensional análogo, el grafeno, que puede desprenderse del grafito innatamente estratificado utilizando algo tan sencillo como cinta adhesiva, el borofeno no puede desprenderse simplemente del boro a granel. En su lugar, el borofeno debe crecer directamente sobre un sustrato.

Y si cultivar una capa era difícil, cultivar múltiples capas de borofeno atómicamente plano parecía imposible. Dado que el boro a granel no está estratificado como el grafito, el crecimiento del boro más allá de las capas atómicas individuales da lugar a agrupaciones en lugar de películas planas.

"Cuando se intenta hacer crecer una capa más gruesa, el boro quiere adoptar su estructura en masa", explica Mark C. Hersam, de Northwestern, coautor del estudio. "En lugar de permanecer atómicamente planas, las películas de boro más gruesas forman partículas y racimos. La clave estaba en encontrar condiciones de crecimiento que impidieran la formación de grupos. Hasta ahora, no creíamos que se pudiera ir más allá de una capa. Ahora nos hemos adentrado en un territorio inexplorado entre la capa atómica única y el grueso, lo que supone un nuevo campo de juego para los descubrimientos".

Hersam es catedrático Walter P. Murphy de Ciencia e Ingeniería de los Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick y director del Centro de Investigación en Ciencia e Ingeniería de los Materiales. También es miembro del Instituto Internacional de Nanotecnología de Northwestern y del Instituto Simpson Querrey. Hersam codirigió el trabajo con Boris Yakobson, titular de la cátedra Karl F. Hasselmann de Ingeniería de la Universidad de Rice.

Hace cinco años, Hersam y sus colaboradores crearon el borofeno por primera vez. Más fuerte, ligero y flexible que el grafeno, el borofeno tiene el potencial de revolucionar las baterías, la electrónica, los sensores, las células solares y la informática cuántica. Aunque las investigaciones teóricas predecían que era posible obtener una doble capa de borofeno, muchos investigadores, entre ellos Hersam, no estaban convencidos.

"Es un reto fabricar un nuevo material, incluso cuando el trabajo teórico predice su existencia", dijo Hersam. "La teoría rara vez te dice las condiciones sintéticas necesarias para conseguir esa nueva estructura".

La clave de las condiciones correctas, descubrió el equipo de Hersam, era el sustrato utilizado para cultivar el material. En el estudio, Hersam y sus colegas cultivaron borofeno en un sustrato plano de plata. Cuando se expuso a temperaturas muy altas, la plata se agrupó para formar terrazas excepcionalmente planas y grandes entre racimos de escalones a escala atómica.

"Cuando cultivamos borofeno en estas terrazas grandes y planas, vimos que se formaba una segunda capa", dijo Hersam. "Tras esa observación fortuita, centramos intencionadamente nuestro esfuerzo en esa dirección. No estábamos buscando la segunda capa cuando la encontramos. Muchos descubrimientos de materiales se producen de esta manera, pero hay que darse cuenta de la oportunidad que supone tropezar con algo inesperado."

El material de doble capa mantuvo todas las propiedades electrónicas deseables del borofeno, al tiempo que ofrecía nuevas ventajas. Por ejemplo, el material consta de dos láminas de espesor atómico unidas entre sí con espacio intermedio, lo que podría utilizarse para el almacenamiento de energía o sustancias químicas.

"Se han hecho predicciones teóricas de que el borofeno bicapa es un material prometedor para las baterías", dijo Hersam. "El hecho de tener espacio entre las capas proporciona un lugar para mantener los iones de litio".

El equipo de Hersam espera que otros investigadores se inspiren ahora para seguir haciendo crecer capas aún más gruesas de borofeno o para crear capas dobles con diferentes geometrías atómicas.

"Los diamantes, el grafito, el grafeno y los nanotubos de carbono se basan en un elemento (el carbono) con diferentes geometrías", dijo Hersam. "El boro parece ser tan rico en posibilidades, si no más, que el carbono. Creemos que aún estamos en los primeros capítulos de la saga del boro bidimensional".

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