14.03.2022 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e. V.

A la caza de materiales ultrafinos mediante la minería de datos

Un estudio identifica un amplio conjunto de nuevos materiales 2D

Los materiales bidimensionales (2D) poseen propiedades extraordinarias. Suelen estar formados por capas atómicas de unos pocos nanómetros de grosor y son especialmente buenos conductores del calor y la electricidad, por ejemplo. Para asombro de muchos científicos, recientemente se ha sabido que también pueden existir materiales 2D a partir de ciertos óxidos metálicos. Estos óxidos son de gran interés en áreas como las aplicaciones nanoelectrónicas. Un equipo de investigación germano-estadounidense, dirigido por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), ha conseguido ahora predecir veintiocho representantes de esta nueva clase de materiales mediante métodos basados en datos.

Hay una diferencia sustancial entre los materiales 2D convencionales, como el grafeno, y los nuevos materiales que pueden sintetizarse a partir de óxidos metálicos como la ilmenita y la cromita. Estos últimos no forman interacciones débiles -lo que se conoce como fuerzas de Van der Waals- en su estructura cristalina, sino que forman enlaces iónicos más fuertes que apuntan en todas las direcciones. Por esta razón, hasta ahora sólo unos pocos experimentos han conseguido desprender nuevos materiales 2D de bloques de material 3D. Los resultados del estudio pueden conducir ahora al éxito en otros experimentos de este tipo. Utilizando métodos teóricos, los científicos predicen qué compuestos merecen realmente la pena para la investigación experimental.

"Con nuestro método basado en datos, nos basamos en la primera información disponible de los experimentos iniciales. A partir de esta información, desarrollamos prototipos estructurales y luego los pasamos por una enorme base de datos de materiales como criterio de filtrado", explica el líder del estudio, el Dr. Rico Friedrich, del Instituto HZDR de Física de Rayos de Iones e Investigación de Materiales. "El principal reto era averiguar por qué estos materiales forman sistemas 2D con tanta facilidad con determinados óxidos. A partir de esta información, pudimos desarrollar un criterio de búsqueda generalizado válido y pudimos caracterizar sistemáticamente los candidatos identificados según sus propiedades."

Para ello, los investigadores aplicaron principalmente lo que se conoce como "teoría del funcional de la densidad", un método computacional práctico para las estructuras electrónicas que se utiliza ampliamente en la química cuántica y en la física de la materia condensada. Colaboraron con varios centros de datos alemanes de alto rendimiento para las fases de cálculo necesarias. Un factor decisivo fue determinar la energía de exfoliación: ésta define cuánta energía hay que gastar para eliminar una capa 2D de la superficie de un material.

Base de datos de materiales con aproximadamente 3,5 millones de entradas

El estudio también utilizó la base de datos de materiales AFLOW (Automatic Flow for Materials Discovery). Lleva más de veinte años siendo desarrollada por el profesor Stefano Curtarolo de la Universidad de Duke (EE.UU.), que también ha contribuido como autor del estudio. AFLOW está considerada como una de las mayores bases de datos de la ciencia de los materiales y clasifica aproximadamente 3,5 millones de compuestos con más de 700 millones de propiedades materiales calculadas.

Junto con el software asociado, la base de datos acabó proporcionando a los investigadores no sólo la composición química de veintiocho materiales con capacidad 2D, sino que también les permitió estudiar sus propiedades, que son notables en aspectos electrónicos y magnéticos, así como topológicos. Según Rico Friedrich, sus estructuras superficiales magnéticas específicas podrían hacerlos especialmente atractivos para aplicaciones espintrónicas, como el almacenamiento de datos en ordenadores y teléfonos inteligentes.

"Estoy seguro de que podremos encontrar más materiales 2D de este tipo", afirma el físico de Dresde, lanzando una mirada al futuro. "Con suficientes candidatos, quizás incluso se podría crear una base de datos dedicada y totalmente especializada en esta nueva clase de materiales". Los científicos del HZDR siguen en estrecho contacto con sus colegas de un centro de investigación en colaboración relacionado con el tema (Sonderforschungsbereich) de la TU Dresden, así como con el principal grupo de investigación para sintetizar nuevos sistemas 2D en Estados Unidos. Junto con ambos socios, tienen previsto seguir estudiando los compuestos más prometedores.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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