Materiales de una sola capa
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En la ciencia de los materiales , el término materiales de una sola capa o materiales 2D se refiere a sólidos cristalinos que consisten en una sola capa de átomos. Estos materiales son prometedores para algunas aplicaciones, pero siguen siendo el foco de la investigación. Los materiales de una sola capa derivados de elementos individuales generalmente llevan el sufijo -ene en sus nombres, por ejemplo, grafeno . Los materiales de una sola capa que son compuestos de dos o más elementos tienen sufijos -ane o -ide. Los materiales 2D generalmente se pueden clasificar como alótropos 2D de varios elementos o como compuestos (que consisten en dos o más elementos de enlace covalente ).

Se predice que existen cientos de materiales estables de una sola capa. [1] [2]

Materiales de un solo elemento

C: grafeno y grafino

Grafeno
Artículo principal: grafeno
Más información sobre el grafeno : posibles aplicaciones del grafeno
El grafeno es una red en forma de panal de átomos de carbono a escala atómica .

El grafeno es un alótropo cristalino de carbono en forma de una hoja casi transparente (a la luz visible) de un átomo de espesor. Es cientos de veces más resistente en peso que la mayoría de los aceros . [3] Tiene la conductividad térmica y eléctrica más alta conocida, mostrando densidades de corriente 1.000.000 veces superiores a las del cobre . [4] Se produjo por primera vez en 2004. [5]

Andre Geim y Konstantin Novoselov ganaron el Premio Nobel de Física 2010 "por experimentos innovadores con respecto al material bidimensional grafeno". Primero lo produjeron levantando escamas de grafeno del grafito a granel con cinta adhesiva y luego transfiriéndolos a una oblea de silicio. [6]

Grafino

El grafeno es otro alótropo de carbono bidimensional cuya estructura es similar a la del grafeno. Puede verse como una red de anillos de benceno conectados por enlaces de acetileno . Dependiendo del contenido de los grupos acetileno, graphyne puede considerarse una hibridación mixta, sp n , donde 1 <n <2, [7] [8] y frente a grafeno (sp 2 puro ) y diamante (sp 3 puro ).

Los cálculos del primer principio usando curvas de dispersión de fonones y temperatura finita ab-initio , simulaciones de dinámica molecular de mecánica cuántica mostraron que el grafino y sus análogos de nitruro de boro son estables. [9]

La existencia de graphyne se conjeturó antes de 1960. [10] Aún no se ha sintetizado. Sin embargo, grafidina (grafina con grupos diacetileno ) se sintetizó sobre sustratos de cobre. [11] Recientemente, se ha afirmado que es un competidor del grafeno debido al potencial de los conos de Dirac dependientes de la dirección. [12] [13]

B: borofeno

A B
36el racimo podría verse como el borofeno más pequeño; vista frontal y lateral

El borofeno es una monocapa atómica cristalina de boro y también se conoce como hoja de boro . Predecido por primera vez por la teoría a mediados de la década de 1990 en un estado independiente, [14] y luego demostrado como capas monoatómicas distintas sobre sustratos por Zhang et al., [15] diferentes estructuras de borofeno se confirmaron experimentalmente en 2015. [16] [17]

Ge: germanene

Germanene es un alótropo bidimensional de germanio con una estructura de panal pandeado . [18] El germaneno sintetizado experimentalmente presenta una estructura de panal . [19] [20] Esta estructura alveolar consta de dos sub-celosías hexagonales que están desplazadas verticalmente 0,2 A entre sí. [21]

Si: siliceno

Imagen STM de la primera ( 4 × 4 ) y la segunda capa ( √ 3 × √ 3 - β ) de silicene crecido en una fina película de plata. Tamaño de imagen 16 × 16 nm.

Silicene es un alótropo bidimensional de silicio , con una estructura de panal hexagonal similar a la del grafeno. [22] [23] [24]

Sn: stanene

Artículo principal: Stanene
Imagen de celosía de escamas de estaneno, con el recuadro central que muestra una micrografía electrónica de área grande de la muestra. El recuadro derecho es un patrón de difracción de electrones que confirma la estructura hexagonal.

Stanene es un aislante topológico previsto que puede mostrar corrientes sin disipación en sus bordes cerca de la temperatura ambiente . Está compuesto por átomos de estaño dispuestos en una sola capa, de manera similar al grafeno. [25] Su estructura pandeada conduce a una alta reactividad frente a las contaminaciones atmosféricas comunes como NOx y COx y es capaz de atraparlos y disociarlos a baja temperatura. [26] Recientemente, la determinación de la estructura del estano se realizó mediante difracción de electrones de baja energía y muestra un resultado muy interesante de estaeno ultraplano en la superficie de Cu (111). [27]

Pb: plumbene

Plumbene es un alótropo bidimensional de plomo , con una estructura de panal hexagonal similar a la del grafeno. [28]

P: fosforeno

Estructura de fosforeno: (a) vista inclinada, (b) vista lateral, (c) vista superior. Las bolas rojas (azules) representan átomos de fósforo en la capa inferior (superior).

El fosforeno es un alótropo cristalino bidimensional del fósforo . Su estructura hexagonal monoatómica lo hace conceptualmente similar al grafeno. Sin embargo, el fosforeno tiene propiedades electrónicas sustancialmente diferentes; en particular, posee una banda prohibida distinta de cero mientras muestra una alta movilidad de electrones. [29] Esta propiedad lo convierte potencialmente en un mejor semiconductor que el grafeno. [30] La síntesis de fosforeno consiste principalmente en métodos de escisión micromecánica o exfoliación en fase líquida. El primero tiene un rendimiento bajo, mientras que el segundo produce nanoláminas independientes en disolvente y no sobre el soporte sólido. Los enfoques ascendentes, como la deposición química en fase de vapor (CVD), todavía están en blanco debido a su alta reactividad. Por lo tanto, en el escenario actual, el método más eficaz para la fabricación de grandes superficies de películas delgadas de fosforeno consiste en técnicas de ensamblaje húmedo como Langmuir-Blodgett que implican el ensamblaje seguido de la deposición de nanoláminas sobre soportes sólidos [31].

Sb: antimoneno

El antimoneno es un alótropo bidimensional del antimonio , con sus átomos dispuestos en una red de panal de abejas. Los cálculos teóricos [32] predijeron que el antimoneno sería un semiconductor estable en condiciones ambientales con un rendimiento adecuado para la electrónica (opto). El antimoneno se aisló por primera vez en 2016 mediante exfoliación micromecánica [33] y se encontró que era muy estable en condiciones ambientales. Sus propiedades lo convierten también en un buen candidato para aplicaciones biomédicas y energéticas. [34]

En un estudio realizado en 2018, [35] electrodos serigrafiados modificados con antimoneno (SPE) se sometieron a una prueba de carga / descarga galvanostática utilizando un enfoque de dos electrodos para caracterizar sus propiedades supercapacitivas. La mejor configuración observada, que contenía 36 nanogramos de antimoneno en el SPE, mostró una capacitancia específica de 1578 F g -1 a una corriente de 14 A g -1 . Más de 10,000 de estos ciclos galvanostáticos, los valores de retención de capacitancia caen al 65% inicialmente después de los primeros 800 ciclos, pero luego permanecen entre 65% y 63% durante los 9,200 ciclos restantes. El sistema de antimoneno / SPE de 36 ng también mostró una densidad de energía de 20 mW h kg -1 y una densidad de potencia de 4,8 kW kg -1. Estas propiedades supercapacitivas indican que el antimoneno es un material de electrodo prometedor para los sistemas de supercondensadores.

Bi: bismuteno

Se predijo que el bismuteno, el alótropo bidimensional del bismuto , sería un aislante topológico . Se predijo que el bismuteno conserva su fase topológica cuando se cultiva en carburo de silicio en 2015. [36] La predicción se realizó y sintetizó con éxito en 2016. [37] A primera vista, el sistema es similar al grafeno, ya que los átomos Bi se ordenan en un celosía de panal. Sin embargo, la banda prohibida es tan grande como 800 mV debido al gran acoplamiento de espín-órbita de los átomos de Bi y su interacción con el sustrato. Por lo tanto, las aplicaciones a temperatura ambiente del efecto Hall de espín cuánticollegar a su alcance. La exfoliación de arriba hacia abajo de bismuthene se ha informado en varios casos [38] [39] con trabajos recientes que promueven la implementación de bismuthene en el campo de la detección electroquímica. [40] [41]

Rieles

Imagen de topografía 3D AFM de nanoplaca de paladio multicapa. [42]

Se han demostrado capas de átomos simples y dobles de platino en una geometría de película bidimensional. [43] [44] Estas películas de platino atómicamente delgadas se cultivan epitaxialmente en grafeno [43], lo que impone una tensión compresiva que modifica la química de la superficie del platino, al tiempo que permite la transferencia de carga a través del grafeno . [44] Capa de un solo átomo de paladio con un espesor de hasta 2,6 Å, [42] y rodio con un espesor de menos de 4 Å [45] también se han sintetizado y caracterizado con microscopía de fuerza atómica y microscopía electrónica de transmisión.

Aleaciones 2D

Las aleaciones bidimensionales son una sola capa atómica de aleación que no guarda proporción con el sustrato subyacente. Un ejemplo son las aleaciones de Pb ordenadas en 2D con Sn y con Bi. [46] [47]

Supcristales 2D

Los supracristales de materiales 2D se han propuesto y simulado teóricamente. [48] [49] Estos cristales monocapa están formados por estructuras periódicas supraatómicas donde los átomos en los nodos de la red son reemplazados por complejos simétricos. Por ejemplo, en la estructura hexagonal del grafeno, los patrones de 4 o 6 átomos de carbono estarían dispuestos hexagonalmente en lugar de átomos individuales, como el nodo repetitivo en la celda unitaria .

Compuestos

Graphane
  • Graphane , (CH)
    norte
  • Nanohoja de nitruro de boro
Dos capas apiladas alternativamente de nitruro de boro hexagonal
  • Borocarbonitruros
  • MXenes
  • Monocapas de dicalcogenuro de metal de transición
  • Sílice 2D
Germanane

El germanano es un cristal de una sola capa compuesto de germanio con un hidrógeno unido en la dirección z para cada átomo. [50] La estructura del germanane es similar a la del grafano , [51] El germanio a granel no adopta esta estructura. El germanano se produce en una ruta de dos pasos comenzando con germanuro de calcio . De este material, el calcio (Ca) se elimina por desintercalación con HCl para dar un sólido en capas con la fórmula empírica GeH. [52] Los sitios de Ca en la fase Zintil CaGe
2 intercambio con los átomos de hidrógeno en la solución de HCl, produciendo GeH y CaCl2.

Orgánico

Ni 3 (HITP) 2 es un conductor eléctrico orgánico, cristalino, estructuralmente sintonizable con una gran superficie. HITP es una sustancia química orgánica (2,3,6,7,10,11-hexaamino trifenileno ). Comparte la estructura de panal hexagonal del grafeno . Varias capas forman de forma natural pilas perfectamente alineadas, con aberturas idénticas de 2 nm en el centro de los hexágonos. La conductividad eléctrica a temperatura ambiente es de ~ 40  S  cm −1 , comparable a la del grafito a granel y una de las más altas para cualquier estructura metalorgánica conductora .(MOF). La dependencia de la temperatura de su conductividad es lineal a temperaturas entre 100 K y 500 K, lo que sugiere un mecanismo de transporte de carga inusual que no se había observado previamente en semiconductores orgánicos . [53]

Se afirmó que el material era el primero de un grupo formado por el cambio de metales y / o compuestos orgánicos. El material puede aislarse en forma de polvo o película con valores de conductividad de 2 y 40 S cm -1 , respectivamente. [54]

Combinaciones

Las capas individuales de materiales 2D se pueden combinar en conjuntos en capas. [55] Por ejemplo, el grafeno bicapa es un material que consta de dos capas de grafeno . Uno de los primeros informes sobre el grafeno bicapa fue en el artículo de ciencia de 2004 de Geim y sus colegas, en el que describieron dispositivos "que contenían sólo una, dos o tres capas atómicas". Las combinaciones en capas de diferentes materiales 2D generalmente se denominan heteroestructuras de van der Waals . Twistronics es el estudio de cómo el ángulo (el giro) entre capas de materiales bidimensionales puede cambiar sus propiedades eléctricas.

Caracterización

Técnicas de microscopía tales como microscopía electrónica de transmisión , [56] [57] [58] difracción de electrones 3D , [59] microscopía de sonda de barrido , [60] microscopio de túnel de barrido , [56] y microscopía de fuerza atómica [56] [58] [ 60] se utilizan para caracterizar el grosor y el tamaño de los materiales 2D. Las propiedades eléctricas y las propiedades estructurales como la composición y los defectos se caracterizan por la espectroscopia Raman , [56] [58] [60] difracción de rayos X , [56] [58] yDe rayos X espectroscopia de fotoelectrones . [61]

Aplicaciones

Artículo principal: Aplicaciones potenciales del grafeno

La principal expectativa de los investigadores es que, dadas sus propiedades excepcionales, los materiales 2D reemplazarán a los semiconductores convencionales para ofrecer una nueva generación de componentes electrónicos.

Aplicaciones biologicas

La investigación sobre nanomateriales 2D aún está en su infancia, y la mayoría de las investigaciones se centran en dilucidar las características únicas del material y pocos informes se centran en aplicaciones biomédicas de los nanomateriales 2D . [62] No obstante, los rápidos avances recientes en nanomateriales 2D han planteado preguntas importantes pero emocionantes sobre sus interacciones con restos biológicos . Las nanopartículas 2D, como los materiales 2D a base de carbono, las arcillas de silicato, los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) y los óxidos de metales de transición (TMO) proporcionan una funcionalidad física, química y biológica mejorada debido a sus formas uniformes, altas relaciones de superficie a volumen, y carga superficial.

Bidimensional (2D) nanomateriales son ultradelgadas nanomateriales con un alto grado de anisotropía y química funcionalidad. [63] Los nanomateriales 2D son muy diversos en términos de sus propiedades mecánicas , químicas y ópticas , así como en tamaño, forma, biocompatibilidad y degradabilidad. [64] [65] Estas diversas propiedades hacen que los nanomateriales 2D sean adecuados para una amplia gama de aplicaciones, incluida la administración de fármacos , la obtención de imágenes , la ingeniería de tejidos y los biosensores , entre otras. [66]Sin embargo, su nanoestructura de baja dimensión les confiere algunas características comunes. Por ejemplo, los nanomateriales 2D son los materiales más delgados conocidos, lo que significa que también poseen las áreas superficiales específicas más altas de todos los materiales conocidos. Esta característica hace que estos materiales sean invaluables para aplicaciones que requieren altos niveles de interacciones superficiales a pequeña escala. Como resultado, los nanomateriales 2D se están explorando para su uso en sistemas de administración de fármacos , donde pueden adsorber un gran número de moléculas de fármacos y permitir un control superior sobre la cinética de liberación. [67] Además, su excepcional relación de superficie a volumen y sus valores de módulo típicamente altos los hacen útiles para mejorar las propiedades mecánicas de los nanocompuestos biomédicos.e hidrogeles nanocompuestos , incluso a bajas concentraciones. Su extrema delgadez ha sido fundamental para los avances en la biodetección y la secuenciación de genes . Además, la delgadez de estas moléculas les permite responder rápidamente a señales externas como la luz, lo que ha llevado a su utilidad en terapias ópticas de todo tipo, incluidas aplicaciones de imágenes, terapia fototérmica (PTT) y terapia fotodinámica (TFD).

A pesar del rápido ritmo de desarrollo en el campo de los nanomateriales 2D, estos materiales deben evaluarse cuidadosamente para determinar su biocompatibilidad para que sean relevantes para aplicaciones biomédicas . [68] La novedad de esta clase de materiales significa que incluso los materiales 2D relativamente bien establecidos como el grafeno son poco conocidos en términos de sus interacciones fisiológicas con los tejidos vivos . Además, las complejidades del tamaño y la forma de partículas variables, las impurezas de la fabricación y las interacciones inmunitarias y de proteínas han dado como resultado un mosaico de conocimientos sobre la biocompatibilidad de estos materiales.

Artículos relacionados

  • Semiconductor bidimensional
  • Monocapas de dicalcogenuro de metal de transición

Referencias

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  • Briggs, Natalie; Subramanian, Shruti; Lin, Zhong; Li, Xufan; Zhang, Xiaotian; Zhang, Kehao; Xiao, Kai; Geohegan, David; Wallace, Robert; Chen, Long-Qing; Terrones, Mauricio; Ebrahimi, Aida; Das, Saptarshi; Redwing, Joan; Hinkle, Christopher; Momeni, Kasra; van Duin, Adri; Crespi, Vin; Kar, Swastik; Robinson, Joshua A. (2019). "Una hoja de ruta para materiales 2D de grado electrónico". Materiales 2D . 6 (2): 022001. Bibcode : 2019TDM ..... 6b2001B . doi : 10.1088 / 2053-1583 / aaf836 . OSTI  1503991 .
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