Un atlas para materiales 2D

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Imagen: J. Nevalaita / University of Jyväskylä

En 1869 un químico teórico ruso, Dimitri Mendeleev, ordenó los elementos químicos conocidos en su día en lo que hoy conocemos como tabla periódica. Algo similar había sido hecho antes, pero Mendeleev estaba tan convencido de entender qué periodicidad tenían los elementos que se atrevió a dejar huecos en su tabla para elementos aún desconocidos, pero de los que era capaz de predecir sus propiedades. Poco tiempo después algunos de esos elementos eran descubiertos y la tabla periódica se convertía en uno de los grandes logros de la ciencia.

Desde el aislamiento del grafeno en 2004, los investigadores han descubierto cientos de materiales bidimensionales (2D), que tienen una o varias capas atómicas de grosor y tienen propiedades interesantísimas, como una resistencia excepcional, una gran movilidad de electrones o capacidades reactivas excepcionales. Muchos de los dispositivos que sustituirán previsiblemente a la electrónica (habrá que irse habituando a nombres como espintrónica o polaritónica) se basan en materiales 2D.

Las estructuras y propiedades de estos materiales están determinadas por sus enlaces químicos, que generalmente son covalentes, como en el caso del grafeno. Pero también existen materiales 2D con enlaces metálicos, que han demostrado recientemente además tener mucho potencial en catálisis y otras aplicaciones, como la detección de gases.

Ahora dos teóricos, Janne Nevalaita y Pekka Koskinen, del Centro de Nanociencia de la Universidad de Jyväskylä (Finlandia) han realizado un estudio sistemático de materiales en 2D que podrían formarse a partir de muchos elementos metálicos. El resultado es un “atlas” que podría servir de guía a los investigadores que intentan sintetizar estos materiales como la tabla de Mendeleev lo hizo con el descubrimiento de nuevos elementos.

Si bien solo unos pocos metales 2D elementales se han investigado con anterioridad, tanto experimental como teóricamente, los investigadores llevaron a cabo un estudio del funcional de la densidad de los materiales 2D que podrían formarse a partir de 45 elementos metálicos, desde el litio al bismuto. Para cada uno calcularon las propiedades clave relacionadas con la estructura y la resistencia mecánica: longitudes de enlace promedio, energía cohesiva (una medida de la fuerza con la que se une la retícula de átomos) y módulo de compresibilidad (una medida de la resistencia a ser comprimida de una sustancia).

Los cálculos sugieren que las propiedades de un material 2D se “heredan” de las de la versión 3D del mismo metal y, por lo tanto, pueden calcularse a partir de las propiedades del metal 3D mediante una extrapolación lineal. Para cada metal en 2D, los investigadores analizaron tres posibles configuraciones de estructura cristalina: hexagonal, cuadrada y en nido de abeja, señalando aquellas para las que con mayor probabilidad conducirían a láminas fuertes y estables.

La ciencia de nuevos materiales está en efervescencia y estudios como este permiten avanzar aún más rápidamente hacia dispositivos dignos de las mejores películas de ciencia ficción. Justo como pasó en los cincuenta años posteriores a la tabla de Mendeleev.

Referencia:

Janne Nevalaita and Pekka Koskinen (2018) Atlas for the properties of elemental two-dimensional metals Physical Review B doi: 10.1103/PhysRevB.97.035411

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

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