Nanoporos a medida: un equipo de Viena da forma al «grafeno blanco» a escala atómica
La física y la química abren las puertas a una amplia gama de aplicaciones gracias a la ingeniería de nanoporos
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Un equipo de investigación de la Universidad de Viena, dirigido por el físico Jani Kotakoski, demuestra cómo se puede controlar con precisión a nivel atómico la forma de los nanoporos del nitruro de boro hexagonal —el equivalente eléctricamente aislante del grafeno, también conocido como «grafeno blanco»—. La irradiación con electrones en vacío ultraalto crea poros circulares, mientras que la adición de pequeñas cantidades de oxígeno da lugar a poros triangulares. La ingeniería de nanoporos presentada en la revista *Nature Communications* abre así nuevas aplicaciones en filtración, secuenciación de ADN, catálisis y tecnologías cuánticas.
El nitruro de boro hexagonal bidimensional (hBN) es un material aislante formado por una única capa de átomos. Constituye una barrera estable que también puede utilizarse para proteger otros materiales bidimensionales, como el grafeno, de su entorno. La creación de poros de tan solo unos pocos átomos de diámetro hace que esta barrera sea permeable, lo que da lugar a una membrana nanoporosa a través de la cual pueden pasar moléculas o iones. Estas membranas podrían utilizarse para filtrar sustancias o analizar el ADN a medida que pasa a través de un nanoporo. A esta escala, la forma precisa del poro y los átomos que recubren sus bordes influyen en cómo interactúa con las moléculas que lo atraviesan. Al mismo tiempo, debido a su pequeño tamaño, los poros poseen propiedades de mecánica cuántica que los hacen útiles para la catálisis y las aplicaciones cuánticas.
Los electrones pueden obtener imágenes y alterar e e las estructuras atómicas
Una forma de crear poros tan diminutos es utilizando el haz de electrones de un microscopio electrónico de transmisión: los mismos electrones que se utilizan para obtener imágenes de materiales bidimensionales hasta el nivel de átomos individuales también pueden expulsar átomos del material. Con una irradiación continuada, estos defectos se convierten en nanoporos. Desde hace casi dos décadas, se sabe que la irradiación con electrones del hBN produce poros triangulares. Su forma se atribuía generalmente a las diferencias en la facilidad con la que se desplazan los átomos de boro y nitrógeno. «Demostramos por primera vez que la forma de los poros no se debe únicamente a los electrones, sino que está influenciada por la atmósfera que rodea a la muestra», afirma Umair Javed, primer autor del estudio y estudiante de doctorado del grupo de Kotakoski en la Facultad de Física de la Universidad de Viena.
Interacción entre la química y la física
Los microscopios electrónicos funcionan al vacío, pero este suele contener aún moléculas de gas residuales. El equipo de Viena utilizó un microscopio con un vacío excepcionalmente bueno y la capacidad de introducir gases seleccionados en el entorno de la muestra. Esto les permitió estudiar qué ocurre cuando el haz de electrones actúa sobre el hBN casi por sí solo, y qué cambios se producen al añadir gases. En condiciones de vacío ultraalto, el haz de electrones eliminó átomos de boro y nitrógeno a ritmos aproximadamente iguales, lo que provocó la formación de poros circulares. La adición de nitrógeno tuvo poco efecto. Sin embargo, incluso con una pequeña cantidad de oxígeno presente, los átomos de boro se eliminaron con mucha mayor facilidad y surgieron poros triangulares con bordes terminados en nitrógeno. El oxígeno por sí solo no era suficiente: los resultados indican que el haz de electrones descompone el oxígeno molecular en especies reactivas capaces de atacar químicamente el material. Por lo tanto, la forma de los poros es el resultado de una interacción entre la física y la química: el «perforado» con electrones energéticos favorece los poros circulares, mientras que el grabado químico mediado por el oxígeno favorece los triangulares. Al ajustar la atmósfera durante la irradiación con electrones, los investigadores pueden controlar qué forma de poro se forma.
Hacia un mayor control
«Esto es sumamente emocionante», afirma el autor principal, Jani Kotakoski. «Esperamos encontrar formas similares de controlar las formas de los poros en otros materiales y, tal vez, también crear formas diferentes en el nitruro de boro hexagonal». Este control podría ayudar a diseñar estructuras con precisión atómica para aplicaciones que van desde la filtración de agua hasta la catálisis y las tecnologías cuánticas. La investigación forma parte del Clúster de Excelencia «Materiales para la conversión y el almacenamiento de energía» del Fondo Austriaco para la Ciencia (FWF), en el que el grupo de Kotakoski pretende utilizar este método para crear nuevas estructuras catalíticamente activas.
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