Magnético con una pizca de hidrógeno

Un equipo de investigadores desarrolla una nueva idea para mejorar las propiedades de los materiales ultrafinos

23.04.2024
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Los materiales magnéticos bidimensionales formados por una o unas pocas capas atómicas se conocen desde hace poco y prometen aplicaciones interesantes, por ejemplo para la electrónica del futuro. Sin embargo, hasta ahora no ha sido posible controlar suficientemente los estados magnéticos de estos materiales. Un equipo de investigación germano-estadounidense dirigido por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y la Universidad Tecnológica de Dresde (TUD) presenta ahora en la revista Nano Letters una idea innovadora que podría superar esta carencia: permitir que la capa 2D reaccione con hidrógeno.

HZDR / Tom Barnowsky

Cambio en la densidad de magnetización del material 2D no van der Waals CdTiO3 tras la hidrogenación con su estructura atómica pasivada superpuesta. Las regiones rojas indican un aumento de la magnetización, mientras que las azules señalan una reducción.

Los materiales 2D son ultrafinos y en algunos casos constan de una sola capa atómica. Debido a sus propiedades especiales, esta clase de materiales aún joven ofrece interesantes perspectivas para la espintrónica y el almacenamiento de datos. En 2017, los expertos descubrieron una nueva variante: los materiales 2D que son magnéticos. Sin embargo, hasta ahora ha sido difícil conmutar estos sistemas entre dos estados magnéticos -un requisito previo para la construcción de nuevos tipos de componentes electrónicos- mediante influencias químicas selectivas. Para superar este problema, un equipo de investigación de la HZDR y la TUD dirigido por el jefe del grupo de investigación junior Rico Friedrich puso sus miras en un grupo especial de materiales 2D: capas obtenidas a partir de cristales en los que existen enlaces químicos relativamente fuertes: los llamados materiales 2D no van der Waals.

Hace veinte años, Konstantin Novoselov y Andre Geim, posteriormente galardonados con el Premio Nobel de Física, lograron producir por primera vez un material 2D de forma dirigida: Utilizando cinta adhesiva, despegaron una fina capa de un cristal de grafito, aislando así una sola capa de carbono, el llamado grafeno. El sencillo truco funcionó porque las capas individuales de grafito están muy poco unidas químicamente. Por cierto, esto es exactamente lo que permite dibujar líneas en el papel con un lápiz.

"Sólo en los últimos años ha sido posible desprender capas individuales de cristales mediante procesos basados en líquidos, en los que las capas están mucho más fuertemente unidas que en el grafito", explica Rico Friedrich, director del grupo de investigación junior AutoMaT "DRESDEN-concept". "Los materiales 2D resultantes son mucho más activos químicamente que el grafeno, por ejemplo". La razón: estas capas tienen enlaces químicos insaturados en su superficie y, por tanto, una fuerte tendencia a unirse con otras sustancias.

Convertir 35 en 4

Friedrich y su equipo tuvieron la siguiente idea: si se hacía reaccionar la superficie reactiva de estos materiales 2D con hidrógeno, debería ser posible influir específicamente en las propiedades magnéticas de las capas finas. Sin embargo, no estaba claro cuáles de los sistemas 2D eran especialmente adecuados para ello. Para responder a esta pregunta, los expertos examinaron su base de datos de 35 nuevos materiales 2D y realizaron cálculos detallados y exhaustivos utilizando la teoría del funcional de la densidad. El reto consistía en garantizar la estabilidad de los sistemas pasivados por hidrógeno en cuanto a aspectos energéticos, dinámicos y térmicos y determinar el estado magnético correcto, una tarea que sólo podía llevarse a cabo con el apoyo de varios centros de cálculo de alto rendimiento.

Una vez concluido el arduo trabajo, quedaron cuatro materiales 2D prometedores. El grupo volvió a estudiarlos con detenimiento. "Al final, pudimos identificar tres candidatos que podían activarse magnéticamente mediante la pasivación de hidrógeno", informa Friedrich. Un material llamado titanato de cadmio (CdTiO3) resultó ser especialmente notable: se convierte en ferromagnético, es decir, en un imán permanente, por influencia del hidrógeno. Los tres candidatos tratados con hidrógeno deberían ser fáciles de controlar magnéticamente y, por tanto, podrían ser adecuados para nuevos tipos de componentes electrónicos. Como estas capas son extremadamente finas, podrían integrarse fácilmente en componentes de dispositivos planos, un aspecto importante para posibles aplicaciones.

Los experimentos ya están en marcha

"El siguiente paso es confirmar experimentalmente nuestros hallazgos teóricos", afirma Rico Friedrich. "Y varios equipos de investigación ya lo están intentando, por ejemplo en la Universidad de Kassel y en el Instituto Leibniz de Investigación del Estado Sólido y los Materiales de Dresde". Pero también en el HZDR y el TUD prosigue la investigación sobre materiales 2D: entre otras cosas, Friedrich y su equipo trabajan en nuevos tipos de materiales 2D que podrían ser relevantes a largo plazo para la conversión y el almacenamiento de energía. Uno de los objetivos es la posible división del agua en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno verde así obtenido podría utilizarse, por ejemplo, como medio de almacenamiento de energía para cuando se disponga de muy poca energía solar y eólica.

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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