Una bicapa de borofeno sintetizada por primera vez

El borofeno es una forma alotrópica de boro; es el boro lo que el grafeno es el carbono: el llamado material cristalino «bidimensional», de un solo átomo de espesor. Debido a sus notables propiedades eléctricas, se le considera el «material milagroso» de las baterías; su capacidad para transportar iones y su conductividad eléctrica permiten prever altas capacidades teóricas de almacenamiento.

Un material sintético, difícil de obtener

Desde la primera síntesis de grafeno en 2004, los físicos han logrado crear varios otros materiales compuestos por una sola capa de átomos, como siliceno, fosforeno o incluso dicalcogenuros de metales de transición (como disulfuro de molibdeno, MoS_dos, o diselenuro de tungsteno, WSe_dos) Todos ellos tienen características atípicas, en particular propiedades eléctricas interesantes.

La forma multicapa de estos materiales sintéticos es muy buscada para el ajuste de estructura y propiedades; pero esto nunca se ha hecho con el borofeno hasta ahora. Más fuerte, más ligero y más flexible que el grafeno, el borofeno tiene el potencial de revolucionar las baterías, la electrónica, los sensores, las células solares y la computación cuántica.

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Pero la síntesis de borofeno monocapa ya es particularmente delicada. A diferencia del grafeno, que se puede obtener, entre otras técnicas, mediante la simple exfoliación de un cristal de grafito – que consiste en rasgar una capa muy fina de grafito con una cinta adhesiva, repitiendo la operación en cada muestra así producida hasta una única capa de átomos se obtiene: el borofeno debe cultivarse en el laboratorio, en un sustrato.

© H. Zhang et al., Cartas de investigación de materiales, 2017.

Estructuras pseudocristalinas de borofeno obtenidas experimentalmente: (a) β12 borofeno (lámina γ o lámina υ1 / 6), (b) χ3 borofeno (lámina υ1 / 5).

Las primeras estructuras de borofeno se obtuvieron en 2015, sobre superficies metálicas bajo vacío ultra alto. Fueron sintetizados por Mark C. Hersam y su equipo de Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Universidad Northwestern. Pero no es fácil separar el borofeno del sustrato que lo soporta.

Una doble capa observada sobre un sustrato plateado.

Si la síntesis de una monocapa de borofeno es difícil, la obtención de varias capas de un átomo de espesor es aún más difícil. » Cuando intentas hacer crecer una capa más gruesa, el boro quiere adoptar su estructura a granel. », Explica Mark C. Hersam en una afirmacion. En teoría, la síntesis de borofeno multicapa era posible, pero en la práctica las películas de boro más gruesas tienden a formar partículas y aglomerados, no estructuras planas.

Por tanto, era necesario encontrar una forma de evitar la formación de estos aglomerados, de modo que el boro siguiera creciendo en películas planas. Un desafío que parecía imposible para Hersam y sus colaboradores. » Es difícil hacer material nuevo, incluso cuando el trabajo teórico predice su existencia. La teoría rara vez informa las condiciones sintéticas necesarias para lograr esta nueva estructura. », Subraya el experto en el comunicado de prensa. Pero el equipo finalmente descubrió que las condiciones ideales en realidad dependían del sustrato utilizado.

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En su nuevo estudio, publicado en Materiales de la naturaleza, explican el cultivo de borofeno en un sustrato plateado plano; sin embargo, a alta temperatura, la plata se aglomeraba para formar verdaderas «terrazas» anchas y planas entre cada aglomerado. Cuando los investigadores intentaron cultivar boro en estas terrazas, observaron la formación de una segunda capa. » No estábamos buscando la segunda capa cuando la encontramos. », Reconoce Hersam.

Interés en el diseño de baterías de litio

Resulta que el material obtenido mantuvo todas las propiedades electrónicas esperadas del borofeno, aunque exhibiendo características adicionales. Por ejemplo, el material incluye dos láminas de un átomo de espesor, unidas entre sí y separadas por un espacio, que se pueden utilizar para almacenar energía o productos químicos, como los que se utilizan en las baterías. » Tener un espacio entre las capas proporciona un lugar para contener iones de litio. Hersam aclara.

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El equipo espera que otros investigadores se inspiren en este trabajo y traten de sintetizar capas aún más gruesas de borofeno, o crear capas dobles con diferentes geometrías atómicas. Los diamantes, el grafito, el grafeno y los nanotubos de carbono dependen de un solo elemento, el carbono, con diferentes geometrías; por tanto, no es tan utópico pensar que el boro tiene la misma capacidad. » El boro parece tener tanto potencial, si no más, que el carbono. Creemos que todavía estamos en los primeros capítulos de la saga bidimensional del boro. », Concluye Hersam. en el comunicado de prensa.

Si este material resulta prometedor, su exploración comercial no será para mañana. Sigue siendo muy caro de fabricar y el carbono sigue siendo mucho más abundante que el boro en la corteza terrestre.