Material 2D en tres dimensiones
Esto podría ayudar, por ejemplo, a aumentar la capacidad de almacenamiento por volumen de hidrógeno o a construir sensores químicos con mayor sensibilidad
¿Cómo se puede integrar la mayor cantidad posible de grafeno en 2D en un espacio limitado? Produciéndolo no en una superficie plana, sino en una nanoestructura 3D.
La cámara de preparación, en la que se crea la estructura de grafeno
Stefano Veronesi
El material de carbono, el grafeno, no tiene un grosor bien definido, sino que está formado por una sola capa de átomos. Por eso se le suele llamar "material bidimensional". Intentar hacer una estructura tridimensional con él puede sonar contradictorio al principio, pero es un objetivo importante: si se quieren aprovechar al máximo las propiedades de la capa de grafeno, hay que integrar la mayor superficie activa posible dentro de un volumen limitado.
La mejor manera de lograr este objetivo es producir grafeno en nanoestructuras ramificadas complejas. Esto es exactamente lo que ha conseguido ahora una cooperación entre el CNR Nano de Pisa, la TU Wien (Viena) y la Universidad de Amberes. Esto podría ayudar, por ejemplo, a aumentar la capacidad de almacenamiento por volumen del hidrógeno o a construir sensores químicos con mayor sensibilidad.
De sólido a poroso
En el grupo del profesor Ulrich Schmid (Instituto de Sistemas de Sensores y Actuadores de la Universidad Técnica de Viena) se investiga desde hace años cómo transformar materiales sólidos, como el carburo de silicio, en estructuras porosas extremadamente finas de forma controlada. "Si se puede controlar la porosidad, se puede influir en muchas propiedades diferentes del material", explica Georg Pfusterschmied, uno de los autores del presente trabajo.
Los procedimientos tecnológicos necesarios para lograr este objetivo son un reto: "Se trata de un proceso electroquímico que consta de varios pasos", dice Markus Leitgeb, químico que también trabaja en el grupo de investigación de Ulrich Schmid en la Universidad Técnica de Viena. "Trabajamos con soluciones de grabado muy específicas y aplicamos características de corriente eléctrica a medida en combinación con la irradiación UV". Esto permite grabar agujeros y canales diminutos en determinados materiales.
Debido a esta experiencia en la realización de estructuras porosas, el equipo de Stefan Heun, del Instituto de Nanociencia del Consejo Nacional de Investigación italiano CNR, recurrió a sus colegas de la TU Wien. El equipo de Pisa buscaba un método para producir superficies de grafeno en nanoestructuras ramificadas que permitieran aumentar la superficie de grafeno. Y la tecnología desarrollada en la TU Wien es perfectamente adecuada para esta tarea.
"El material de partida es el carburo de silicio, un cristal de silicio y carbono", explica Stefano Veronesi, que realizó el crecimiento del grafeno en el CNR Nano de Pisa. "Si se calienta este material, el silicio se evapora, el carbono permanece y, si se hace bien, se puede formar una capa de grafeno en la superficie".
Por ello, en la Universidad Técnica de Viena se desarrolló un proceso de grabado electroquímico que convierte el carburo de silicio sólido en la nanoestructura porosa deseada. En este proceso se elimina aproximadamente el 42% del volumen. A continuación, la nanoestructura restante se calentó en alto vacío en Pisa para que se formara grafeno en la superficie. El resultado se examinó en detalle en Amberes. Esto reveló el éxito del nuevo proceso: efectivamente, se forma un gran número de copos de grafeno en la superficie de forma intrincada de la nanoestructura 3D.
Mucha superficie en una forma compacta
"Esto nos permite aprovechar las ventajas del grafeno de forma mucho más eficaz", afirma Ulrich Schmid. "La motivación original del proyecto de investigación era el almacenamiento de hidrógeno: se pueden almacenar temporalmente átomos de hidrógeno en las superficies de grafeno y luego utilizarlos para diversos procesos. Cuanto mayor sea la superficie, mayor será la cantidad de hidrógeno que se pueda almacenar". Pero también hay muchas otras ideas para utilizar estas estructuras de grafeno en 3D. Una gran superficie es también una ventaja decisiva en los sensores químicos, que, por ejemplo, pueden utilizarse para detectar sustancias raras en los gases.
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