Superpoderes de materiales ultrafinos: en ciencia de materiales, 2D es el nuevo 3D

Una cámara de vacío, donde la espectroscopía de rayos X mide las propiedades de los materiales: pequeños cuadrados de diferentes colores montados en un soporte de cobre.

En los últimos años, los dispositivos conectados a Internet han llegado a muchas nuevas fronteras: en muñecas, refrigeradores, timbres y automóviles. Sin embargo, algunos investigadores creen que el "Internet de las cosas" aún no está muy desarrollado.

"¿Qué pasaría si pudiéramos integrar la electrónica en cualquier lugar", dijo Thomas Palacios, ingeniero eléctrico del Instituto de Tecnología de Massachusetts, recientemente. - ¿Qué pasaría si pudiéramos recibir energía de los paneles solares integrados en la carretera, y las células de carga podrían construirse en túneles y puentes para monitorear la condición del concreto? ¿Qué pasaría si pudiéramos mirar hacia afuera y ver el pronóstico del tiempo en el cristal? ¿O incrustar dispositivos electrónicos que rastrean la salud humana en una chaqueta?

En enero de 2019, Palacios y colegas publicaron en la revista Nature jobs.describiendo la invención, capaz de acercar un poco más este futuro: una antena que puede absorber Wi-Fi, Bluetooth y teléfonos celulares cada vez más, y convertirlos efectivamente en electricidad utilizable.

La clave de esta tecnología es un material prometedor: sulfuro de molibdeno , MoS ₂ , colocado en una capa plana con un espesor de solo tres átomos. En el mundo de la ingeniería, es casi imposible hacer algo más delgado.

Y un grosor tan pequeño es algo útil. Por ejemplo, con MoS _2, puede cubrir la superficie de la mesa, convirtiéndola en un cargador de computadora portátil que no requiere cables.

Desde el punto de vista de los investigadores, los materiales bidimensionales se convertirán en el pilar de la "Internet de todo". "Pintarán" los puentes y los convertirán en sensores que controlan la carga y las grietas. Se impondrán en las ventanas con una capa transparente, que será visible solo cuando se muestre la información. Y si el equipo logra crear un dispositivo para absorber ondas de radio, podrá alimentar esta electrónica ubicua. El futuro se ve cada vez más plano.

"El interés en este tema está creciendo exponencialmente", dijo Jeff Urban, un investigador de materiales bidimensionales en la Fábrica Molecular en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. "No se puede decir lo contrario".


Thomas Palacios cree que el futuro de la electrónica reside en superficies planas


Los ingenieros del MIT crearon pequeños circuitos electrónicos de grafeno, un tipo de carbono de dos dimensiones


Palacios con una burbuja que contiene varios miles de circuitos microelectrónicos de grafeno.


Yuxuan Lin, investigador del laboratorio Palacios, está preparando equipos para trabajar con circuitos bidimensionales.

Los diseños planos abren todas las puertas

La moda química bidimensional comenzó en 2004, cuando dos investigadores del Instituto de Manchester utilizaron cinta adhesiva para pelar una película de carbono de un solo átomo a partir de piezas de grafito, produciendo así grafeno. El grafeno es idéntico en composición al grafito y al diamante, pero su pequeño espesor le confiere propiedades muy especiales: es flexible, transparente, extremadamente fuerte y conduce la electricidad y la electricidad excepcionalmente bien.

Los investigadores comenzaron inmediatamente a hacer todo tipo de gadgets nuevos y mejorados con él. Varias compañías ya han lanzado auriculares, en los cuales el diafragma, una membrana vibratoria que reproduce el sonido en dispositivos de audio, consiste en grafeno. Algunos fabricantes de pinturas agregan grafeno a sus fórmulas para mantener el recubrimiento por más tiempo. En octubre, Huawei presentó el gran y poderoso teléfono Mate 20 X, que utiliza grafeno para enfriar el procesador. Samsung usó el grafeno para desarrollar una batería con carga acelerada, y puede aparecer en los teléfonos en un futuro cercano.

Urban trabaja con materiales bidimensionales para mejorar las propiedades de las celdas de combustible, una de las opciones de combustible "limpio" para el transporte "ecológico". La mayoría de las celdas de combustible generan electricidad a partir del hidrógeno, pero incluso a alta presión, el hidrógeno ocupa varias veces más espacio que la gasolina con un contenido energético comparable, por lo que resulta poco práctico usar hidrógeno en los automóviles.

En cambio, Urban introduce átomos de hidrógeno en materiales sólidos cuya densidad es muchas veces mayor que la densidad de los gases. En marzo, él y sus colegas anunciaron la creación de un nuevo tipo de almacenamiento: pequeños cristales de magnesio envueltos en tiras estrechas de los llamados nanofibras de grafeno. Descubrieron que el hidrógeno almacenado de esta manera produce casi tanta energía como la gasolina de un volumen similar y pesa mucho menos.

Urban comparó este proceso con hornear galletas con chispas de chocolate, cuyo papel es el magnesio que contiene hidrógeno. "Necesitamos galletas que contengan tantas chispas de chocolate como sea posible", dijo, y los nanofibras de grafeno son una excelente masa para galletas. Los nanoribones también ayudan al hidrógeno a entrar y salir rápidamente de los cristales de magnesio, reteniendo el oxígeno afuera, luchando contra el hidrógeno por un lugar dentro de los cristales.

Urban observa el mundo de los materiales ultrafinos en el laboratorio Advanced Light Source, ubicado debajo de una cúpula, que ofrece vistas panorámicas de la ciudad de San Francisco y la bahía. Aquí, los electrones, dispersados ​​casi a la velocidad de la luz, generan potentes rayos X que pueden utilizarse para detectar con precisión la estructura atómica de los materiales.

En ALS, Urban y sus colegas descubrieron exactamente cómo el grafeno envuelve el magnesio y se adhiere a él. Esta conexión de los dos materiales garantiza la estabilidad del material compuesto durante largos períodos de tiempo; esta es una propiedad importante para usar el compuesto en condiciones reales.


Laboratorio avanzado de fuentes de luz


Jeff Urban, investigador de materiales bidimensionales, en la Fábrica Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California


Las pilas de combustible experimentales ayudan a medir las propiedades de los materiales ultrafinos en diversas condiciones (cuando se exponen a gases, líquidos, luz solar o productos químicos) mediante espectroscopía de rayos X con radiación de rayos X. El


especialista en radiación Yi-Sheng Liu, uno de los miembros del equipo de Urban, utiliza un controlador para establecer la ubicación de la muestra de material para que los rayos X sean irradiados

Otros investigadores capas ultrafinas de material plegado en la pila para obtener bloques tridimensionales, cuyas propiedades ichayutsya de materiales bidimensionales y tridimensionales de materiales convencionales.

Kwabena Bedyako, química de la Universidad de California en Berkeley, publicó un estudio el año pasado en la revista Nature, que describe cómo ella y sus colegas colocaron iones de litio entre múltiples capas de materiales bidimensionales, incluido el grafeno.

"Comenzamos con un trozo de pan, lo untamos con mayonesa, lo pusimos en queso y luego en jamón", dijo. "Puedes repetir tantas veces como quieras y obtienes un sándwich".

Al cambiar las capas de la pila, los investigadores pudieron ajustar el proceso de almacenamiento de litio, y esto puede conducir a la creación de nuevas baterías de alta capacidad para dispositivos electrónicos.

Xining Zang, Ph.D. en ciencia de materiales del MIT, descubrió recientemente una forma sorprendentemente simple de colocar materiales bidimensionales uno encima del otro usando gelatina, un producto que le da a su mermelada y malvaviscos su estructura. Él y sus colegas combinaron gelatina, iones metálicos y agua. La gelatina formó una estructura multicapa (como suele ocurrir con la formación de gelatina), que dio una estructura en capas a los iones metálicos. Parte del carbono en la gelatina reaccionó con el metal, produciendo hojas de carburo de metal bidimensional; actuaron como catalizadores, ayudando a separar el agua en oxígeno e hidrógeno, y este proceso se puede usar en celdas de combustible para generar electricidad.

"No puedo decir que la tecnología fuera cruda, porque si lo piensas bien, resultó ser bastante elegante", dijo Nate Hochman, quien trabajó anteriormente en Molecular Factory, y uno de los autores del trabajo. "Todo salió en la unión de las tecnologías altas y bajas".

Hacer materiales más delgados

Si los materiales bidimensionales están floreciendo, es en Singapur, en el laboratorio de Liu Zheng, en la Universidad Tecnológica de Nanyang. Singapur está tratando de convertirse en una "ciudad jardín", y este pequeño país está llenando activamente su territorio de vegetación, incluida la universidad, donde se plantan jardines en todos los rincones de sus edificios modernos.

Zheng considera que su investigación es una variación del método de cultivo de plantas. "Soy un jardinero", dijo. - Tengo un jardín bidimensional con una variedad de colores. Y todos son hermosos ".

El año pasado, Zheng y sus colegas expandieron significativamente su jardín, creando docenas de nuevos materiales bidimensionales a partir de una clase de materiales compuestos llamados calcogenuros de metales de transición.(calcogenuros de metales de transición, TMC). Un descubrimiento clave fue el uso de sal de mesa para reducir el punto de fusión de los metales; Como resultado, se hizo posible vaporizar el metal para que se depositara en forma de películas delgadas.


En el laboratorio de Liu Zheng en la Universidad Tecnológica de Nanyang, se colocan capas de materiales bidimensionales sobre sustratos de silicio y se almacenan en contenedores.


Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur.


En el laboratorio de Zheng, el vapor químico es depositado por capas bidimensionales sobre sustratos de silicio en tubos de cuarzo.


Instrumentos para el control cuidadoso y el monitoreo del flujo de gases en los tubos de cuarzo. tubos

"Una vez que mi estudiante me dijo: puedo hacer TMC con sal", dijo Zheng. - Me sorprendió. Ha sido mi sueño durante muchos años ".

Uno de los estantes del laboratorio de peluche de Zheng está repleto de recipientes herméticos transparentes; allí se almacenan sustratos de silicio con depósitos de materiales bidimensionales. A menudo, las películas forman un triángulo o hexágono visible, de acuerdo con la estructura geométrica de los cristales del material.

Después de colocar las películas, el equipo de Zheng se traslada a un laboratorio cercano para estudiar cuidadosamente las estructuras resultantes. La mayor parte de la sala está ocupada por un microscopio electrónico de transmisión de cuatro metros y un peso de una tonelada y media, un dispositivo enorme para ver átomos individuales.

Muchos TMC, incluido MoS ₂Palacios, que absorbe ondas de radio, son potencialmente aplicables en diversas aplicaciones industriales. El seleniuro de platino bidimensional del laboratorio de Singapur puede servir para producir celdas de combustible más baratas, que generalmente usan platino, que separa el protón del átomo de hidrógeno del electrón. Cambiar a seleniuro de platino bidimensional podría reducir la cantidad de platino utilizada en un 99%, dijo Zheng. La Universidad Tecnológica de Nanyang ya está discutiendo la comercialización de tecnología con los fabricantes. Hasta ahora, el futuro aún no es completamente bidimensional, pero ya está cerca de esto.

"Veo el enorme potencial comercial de este material", dijo Zheng. "Podemos afectar seriamente el mercado".


Dispositivo termoeléctrico flexible de Urban a partir de nanohojas de carbono bidimensionales. Los dispositivos termoeléctricos toman energía del medio ambiente y la convierten en energía eléctrica utilizable.

Source: https://habr.com/ru/post/undefined/