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Las formas y propiedades de los materiales de dos y tres dimensiones en el coloquio mensual del IFUNAM

Sofía Flores Fuentes
14/07/2021

Los materiales en dos dimensiones (2D), las películas delgadas orgánicas y la ciencia de superficies, por nombrar algunas, son las áreas de experticia de la profesora Petra Rudolf, de la Universidad de Groningen, en los Países Bajos, quien formó parte del Coloquio Mensual del Instituto de Física.

La investigadora del Zernike Institute for Advanced Materials, de la Universidad de Groningen, en los Países Bajos, formó parte del Coloquio mensual del IFUNAM. Diseño: Luis Novoa

En su charla, titulada “Playing Lego with 2D materials”, la investigadora del Zernike Institute for Advanced Materials inició hablando sobre el grafeno, específicamente desde su predicción en los años 70 por Philip Russell Wallace, los experimentos revolucionarios usando este material en dos dimensiones -específicamente con el artículo del 2004 titulado “Electric field effect in atomically thin carbon films”-, así como el subsecuente premio Nobel del 2010.

El grafeno tiene propiedades excepcionales, específicamente en el terreno de lo electrónico y lo mecánico. “Hasta ahora tiene pocas aplicaciones comerciales, pero habrá más. Todos sabemos que es muy emocionante desde muchos aspectos, el hecho de que es un material estable, conduce electricidad, es impermeable. Todo esto le da características fantásticas y muchas aplicaciones”, mencionó la profesora perteneciente a la Facultad de Ciencia e Ingeniería de la universidad neerlandesa. Además, entre los usos propuestos está el generar supercapacitores, sensores de gas, baterías eléctricas o para el almacenamiento de hidrógeno, por mencionar algunos.

Habló de que hay diferentes maneras de hacer grafeno. “La cinta Scotch fue el método utilizado por [Andrei] Geim y [Kostya] Novocelo y por toda la gente que investigó las propiedades de transporte [del grafeno], pero no es un método que se pueda escalar, por lo que la gente encontró otras maneras de generarlo”. Otro método es el depósito químico de vapor, que es el más utilizado; así como el de grafitización del carburo de silicio, este último un proceso de costos monetarios altos. La doctora presentó resultados de sus trabajos por ambos métodos, así como datos de lo que ha implicado su trabajo en este sentido.

Asimismo, mostró que para obtener grafeno cristalino de grandes dimensiones con dominios alineados y unidos, lo mejor es hacerlo en cobre líquido. Sin embargo, para el uso en dispositivos electrónicos, se necesita una separación en el material, por lo que se ha propuesto el dopaje con boro y nitrógeno. Aunque estos dos elementos no tienen una buena relación con el grafeno, esta situación puede ser útil si los dominios son de tamaño pequeño. “Estamos trabajando para obtener hexágonos individuales de boro y nitrógeno y esperamos obtener eso pronto. Todavía no estamos ahí, pero este es un gran reto en el que mucha gente está trabajando”, mencionó.

Partiendo de esta propuesta, la profesora Rudolf expuso el trabajo que están conduciendo en término de materiales de 2D con el germanano, un cristal también con forma hexagonal, que contiene hidrógeno, y que fue sintetizado en 2013. Concretamente, su trabajo y el de sus colaboradores ha sido conseguir y caracterizar un proceso más rápido de síntesis. “Mientras que antes tomaba una semana el obtener el germanano, en nuestro trabajo toma minutos”, explicó. A este material lo utilizaron para estudiar sus propiedades, conocer cómo se comporta y de las transformaciones que sufre cuando, por ejemplo, es calentado. “El germanano tiene mejor conductividad que otros compuestos [como el grafito o el grafeno]. Aunque no es suficientemente bueno para la difracción de rayos X, todavía”, mencionó la doctora.

Además, explicó cómo se obtiene germanano en una superficie, a partir de una técnica desarrollada por la deposición de Langmuir-Blodgett y Langmuir-Shaefer. Del estudio de esta capa única de germanano también se conoció que cuenta con propiedades antibacterianas, en tanto que inhibe el crecimiento de las Gram positivo y negativo por más de 80% en las primeras 6 horas; también es buena para optoelectrónica, algo que está comenzando a ser descrito.

Posteriormente, la profesora Petra habló sobre superconductividad en materiales delgados de monocapa, así como algunas de sus propiedades, como que es ideal para conductividad fuerte y enriquecida en nanoescalas. Mostró algunos resultados que han tenido con materiales en específico y cómo, cuando se acomodan en capas colindantes, se obtienen características distintas. Esto fue propuesto en 2013 y “lo que se ve es que la interacción es distinta dependiendo de los átomos, así que si, por ejemplo, se pone una capa de nitruro de boro y una de grafeno encima hay una interacción diferente entre el boro y el grafeno y el nitrógeno y el grafeno. Esto es muy estudiado desde lo teórico, pero los primeros resultados están obteniéndose y es algo en lo que estamos trabajando actualmente”, aseguró. Es así que la superposición de diferentes capas generan propiedades novedosas, a través de la reconstrucción de superficie, la transferencia de carga o los efectos de proximidad.

Finalmente, la doctora habló de las estructuras en 3 dimensiones. En su explicación, comenzó mencionando que en 2008 un grupo de investigación publicó sobre la construcción de una figura de grafeno conectado con nanotubos de carbono, con la promesa de que podía ser muy bueno para almacenar hidrógeno. Así que en 2013, ella y un grupo de trabajo en Grecia publicaron un artículo en el que describen la apilación de grafeno y óxido de grafeno, aunque no era muy bueno para almacenar hidrógeno. Desde entonces, han generado distintas estructuras de grafeno con pilares, como el que hicieron entre el óxido de grafeno con adamantilamina, creando así un material poroso con un tamaño bien definido.

Además, explicó que el grafeno con pilares y el óxido de grafeno se puede usar para almacenar o separar gases, hacer catálisis heterogénea, nanomedicina, entrega de medicamentos y remediación ambiental. “La adamantilamina es una molécula muy tóxica, pero se puede usar como un veneno para las células cancerosas y de hecho funciona,” explicó la doctora, al complementar diciendo que el óxido de grafeno altera poco a las células saludables, por lo que la estructura de pilares resulta muy tóxica para las células cancerosas, pero no para las sanas. Esta propuesta se ha compartido con investigadores en ciencias médicas para que ellos sigan trabajando al respecto, sobre todo para procesos operatorios en los que se extraen tumores cancerígenos, pero es posible dejar remanentes que puedan desencadenar uno nuevo.

Otro posible uso de estos materiales bidimensionales es para los contaminantes aromáticos diluidos en cuerpos de agua. Dado que las estructuras de pilar son buenas para absorber el clorofenol del agua y otros contaminantes, estas formas se podrían usar para la remediación ambiental causada por el daño de herbicidas, por ejemplo. Además, otras propuestas son para la entrega de ibupofreno en el intestino y no en el estómago, así como el almacenamiento de dióxido de carbono atmosférico.

En la sesión de preguntas y respuestas, ante el cuestionamiento de si ha considerado el generar patentes de su trabajo, ella comentó que sólo 2% de lo que se protege intelectualmente genera dinero. Por esta razón, prefiere establecer relaciones con la industria y que, a cambio de la idea y desarrollo de sus propuestas, ellos le otorguen financiamiento para sus estudiantes y su laboratorio.