Del cristal al nuevo ámbito de los materiales 2D
Un nuevo método permite estudiar nanoestructuras más allá de los sistemas en capas clásicos
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Los materiales bidimensionales pueden presentar propiedades que no se dan en sus sistemas originales tridimensionales, lo que los hace especialmente interesantes para aplicaciones en electrónica, por ejemplo. Hasta ahora, la investigación se había centrado principalmente en cristales que ya estaban compuestos por capas con enlaces débiles. Por primera vez, un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y de la Universidad Técnica de Dresde (TU Dresden) ha desarrollado un método computacional eficaz que predice la presencia de capas atómicas separables en cualquier tipo de cristal. Tras analizar más de 24 000 estructuras cristalinas conocidas, identificaron 2 531 candidatos especialmente prometedores. Los resultados se han publicado en *Nature Communications*.
Desde la producción de grafeno en 2004, los materiales bidimensionales han despertado un gran interés científico y tecnológico. Al tener un espesor de tan solo unas pocas capas atómicas, o incluso de una sola capa atómica, pueden presentar propiedades electrónicas, magnéticas o químicas especiales, lo que los hace especialmente interesantes para aplicaciones como la electrónica, la catálisis y el almacenamiento de energía.
Los ejemplos más conocidos están formados por los denominados cristales de van der Waals. Al igual que un libro, están compuestos por capas individuales unidas entre sí por fuerzas relativamente débiles. Por lo tanto, resulta relativamente fácil separar las capas individuales. En los cristales no estratificados, por el contrario, los átomos forman una red tridimensional de enlaces significativamente más fuertes. Hasta ahora, resultaba difícil predecir cuáles de estos sólidos podían dividirse en capas estables.
«Dado que esta clase de materiales es aún tan reciente, la selección de materiales adecuados para los experimentos se basaba a menudo en la experiencia y la intuición», explica el Dr. Rico Friedrich, del Instituto de Física de Haces de Iones e Investigación de Materiales del HZDR y de la Universidad Técnica de Dresde. «Gracias a nuestro método universal, ahora podemos determinar los puntos en los que un cristal de cualquier material puede dividirse mejor y si, en el proceso, puede formarse una estructura bidimensional potencialmente estable».
La fuerza de los enlaces, en lugar de las meras distancias
El núcleo del nuevo enfoque es el «potencial de exfoliación y clivaje» (eXfoliation and Cleavage Potential), o XCP, para abreviar. El modelo computacional utiliza los elementos químicos implicados y la distancia entre ellos para calcular con gran precisión la fuerza de los enlaces entre los átomos individuales. Posteriormente, dos algoritmos adicionales buscan planos cristalinos fácilmente separables o eliminan gradualmente los enlaces más débiles del modelo hasta que quedan subestructuras bidimensionales. De este modo, el método también detecta superficies de separación atómicamente irregulares.
«Calcular la estructura electrónica de todas las superficies imaginables llevaría una cantidad de tiempo increíble», afirma el autor principal, Tom Barnowsky. «Nuestro modelo eficiente, por el contrario, puede buscar en grandes bases de datos de materiales con un esfuerzo computacional mínimo. Solo se requieren cálculos detallados para los resultados especialmente prometedores».
Las pruebas exhaustivas realizadas con materiales bidimensionales ya producidos experimentalmente han demostrado que el método XCP puede determinar de forma fiable los planos preferentes de exfoliación. Además, está disponible gratuitamente para los interesados como herramienta web ( http://xcp.hzdr.de/ ).
Miles de estructuras prometedoras
El equipo aplicó el método a más de 24 000 estructuras cristalinas conocidas y no estratificadas procedentes de una de las mayores bases de datos experimentales de materiales. De entre ellas, los investigadores seleccionaron 2 531 candidatos especialmente prometedores para realizar cálculos más precisos. En estos materiales, la composición química permanece inalterada tras el desprendimiento, mientras que las proporciones de enlace calculadas favorecen claramente la formación de una estructura bidimensional.
Investigaciones posteriores confirmaron el potencial de la selección: en la mayoría de los candidatos, el equipo calculó energías de exfoliación comparativamente bajas. Además, muchas de las estructuras resultaron ser estables tanto desde el punto de vista dinámico como termodinámico, una condición previa fundamental para las aplicaciones tecnológicas. Ahora los experimentos deben demostrar si realmente pueden producirse y en qué condiciones.
Los materiales 2D predichos difieren notablemente de las entradas existentes en la base de datos. Algunos podrían incluso sufrir un cambio fundamental en sus propiedades electrónicas durante la transición a una capa delgada: entre otras cosas, los cálculos predicen compuestos en los que los cristales tridimensionales actúan como semiconductores, mientras que se vuelven metálicos en dos dimensiones. En otros, se crea una banda prohibida directa, lo que podría resultar de interés para dispositivos optoelectrónicos. Los candidatos magnéticos también podrían abrir nuevas posibilidades para la espintrónica en el procesamiento y almacenamiento de datos.
«Nuestros resultados amplían enormemente el horizonte de los materiales bidimensionales», resume Friedrich. «El método no garantiza que todos los candidatos puedan producirse en el laboratorio. Pero sí muestra qué cristales merecen realmente el esfuerzo experimental».
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