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Aunque el grafeno es el material bidimensional más famoso desde que se descubrió en 2004, hay muchos más materiales en dos dimensiones y diversos investigadores en el mundo se dedican a estudiarlos desde la teoría hasta la experimentación.

En México, investigadores del Instituto de Física como Andrés Rafael Botello Méndez, Laura Serkovic, Cecilia Noguez, entre otros, participan en un proyecto institucional que tiene como objetivo estudiar materiales bidimensionales.

Se estima teóricamente que se puedan aislar 1,800 materiales bidimensionales a partir de la exfoliación de materiales laminares. Los materiales bidimensionales son particularmente interesantes porque tienen el espesor de unos cuántos átomos, son elásticos y algunos son conductores de electricidad, otros son aislantes y otros más son impermeables, haciéndolos excelentes materiales para aplicaciones en aparatos electrónicos flexibles, equipos de medición médica o en construcciones, lo cual significaría un salto del estudio de estos materiales a su aplicación industrial.

“Eso tendría que ocurrir en muchos años, pero ahora nuestra prioridad es entender la materia”, dijo Andrés Botello a Noticias IFUNAM.

El grupo del IF se enfoca en entender y estudiar al grafeno, pero también otros como el disulfuro de tungsteno, el disulfuro de molibdeno, el nitruro de boro y materiales bidimensionales que no han sido contemplados por otros grupos de investigación, pero sí pueden ser estudiados teóricamente.

“Lo que se busca es reducir de esos 1,800 materiales a un pequeño grupo con características específicas, por ejemplo, primero se escogen los materiales con determinado número de electrones que tengan cierta movilidad. Así me quedan, por decir, 50 posibilidades, luego aplico otra vez un criterio de selección que cada vez me va dejando un número más pequeño de materiales”, que se pueden ir estudiando y caracterizando, explicó Andrés Botello a Noticias IFUNAM.

Debido a la reciente apertura de esta línea de investigación como parte del Instituto de Física, Europa lleva una significativa delantera en la carrera de la investigación de materiales bidimensionales.

“Creo que por la forma en que los grupos de investigación europeos han llevado el estudio de materiales bidimensionales, habrá mayor inversión en este campo de estudio, y a su vez, abrirá nuevas áreas de investigación para grupos como el del Instituto de Física”, dijo Botello, quien recientemente participó en la octava edición de Graphene Conference, un evento europeo que presenta los avances del estudio del grafeno y otros materiales bidimensionales.

Graphene Conference se realizó desde el 26 al 29 de junio en Dresden, Alemania, donde diversos investigadores como Philip Kim, de la Universidad de Harvad en EU, Riichiro Saito, de Tohoku University en Japón, o Juan F. Sierra, del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología en España, expusieron los avances y posibles aplicaciones de diversos materiales bidimensionales en áreas médicas, tecnológicas e industriales.

Selección computacional

Para estudiar los materiales bidimensionales, el primer paso es seleccionarlos. De acuerdo con Botello, la selección se parte de una base de datos de minerales existentes de fácil exfoliación y junto con algunas simulaciones computacionales que se pueden analizar y sintetizar en los laboratorios del IF.

Una vez que tienen un pequeño grupo de 3 o 4 materiales bidimensionales, usualmente los analizan a través de la espectroscopia Raman, una técnica que consiste en disparar un haz láser al objeto de estudio, en este caso puede ser grafeno o nitruro de boro, y medir la dispersión inelástica de la onda electromagnética al interactuar con el objeto. De esta forma, los investigadores pueden determinar los estados excitados de la materia.

Con la información que obtienen a través de la espectroscopía, los investigadores saben qué propiedades tienen los materiales en estudio, por ejemplo, pueden conocer si uno es mejor conductor de electricidad que otro o si es más aislante en comparación a uno diferente, para así usarlos a tareas específicas, aprovechando sus cualidades.

El proyecto aún está en la etapa teórica, puesto que se trata de un trabajo que requiere tiempo y más investigación.

“Por eso es que hacemos este trabajo colaborativo entre experimentales y teóricos, para que no solo los investigadores, sino también los estudiantes generen experiencia tanto en síntesis como en manipulación y teoría”, agregó Botello.

Según el investigador, el estudio de materiales bidimensionales es un área que combina los campos de estudio microscópicos y macroscópicos, ya que, por una parte, describe lo que sucede atómicamente y, por otro lado, describe la interacción entre muchas partículas del propio material cuando se combinan con otros.

Andrés Botello cree que este campo de estudio tiene mucho futuro ya que “seguirán apareciendo fenómenos exóticos, aún hay cosas por entender como la súper conductividad de algunos materiales o la física de los electrones, ahí es donde espero que nuestro grupo pueda contribuir a generar una nueva física”, concluyó.