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Materiales de una sola capa

En ciencia de los materiales , el término materiales monocapa o materiales 2D se refiere a sólidos cristalinos que consisten en una sola capa de átomos. De forma más general, es...

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En ciencia de los materiales , el término materiales monocapa o materiales 2D se refiere a sólidos cristalinos que consisten en una sola capa de átomos. De forma más general, estos materiales también incluyen estructuras en las que las monocapas individuales se mantienen unidas por interacciones de van der Waals entre capas. Estos materiales son prometedores para algunas aplicaciones, pero siguen siendo el foco de la investigación. Los materiales monocapa derivados de elementos individuales generalmente llevan el sufijo -eno en sus nombres, por ejemplo, grafeno . Los materiales monocapa que son compuestos de dos o más elementos tienen los sufijos -ano o -uro. Los materiales 2D generalmente se pueden clasificar como alótropos 2D de varios elementos o como compuestos (que consisten en dos o más elementos unidos covalentemente ).

Se predice que existen cientos de materiales monocapa estables. [ 1 ] [ 2 ] La estructura atómica y las propiedades básicas calculadas de estos y muchos otros materiales monocapa potencialmente sintetizables se pueden encontrar en bases de datos computacionales. [ 3 ] Los materiales 2D se pueden producir utilizando principalmente dos enfoques: exfoliación de arriba hacia abajo y síntesis de abajo hacia arriba. [ 4 ] La exfoliación se refiere a la reducción de las interacciones de van der Waals entre capas en materiales laminares masivos, lo que lleva al desprendimiento de la monocapa de la superficie de la muestra. Los métodos de exfoliación incluyen sonicación , exfoliación mecánica, hidrotermal, electroquímica, asistida por láser y asistida por microondas. [ 5 ]

Materiales de un solo elemento

C: grafeno y grafino

Grafeno
El grafeno es una red hexagonal a escala atómica formada por átomos de carbono.

El grafeno es un alótropo cristalino del carbono en forma de una lámina de un átomo de espesor, casi transparente (a la luz visible). Es cientos de veces más resistente que la mayoría de los aceros en relación con su peso. [ 6 ] Posee la conductividad térmica y eléctrica más alta conocida, mostrando densidades de corriente 1.000.000 de veces superiores a las del cobre . [ 7 ] Su producción comenzó en 2004. [ 8 ]

Andre Geim y Konstantin Novoselov ganaron el Premio Nobel de Física de 2010 "por experimentos revolucionarios sobre el material bidimensional grafeno". Lo produjeron por primera vez levantando láminas de grafeno de grafito macizo con cinta adhesiva y luego transfiriéndolas a una oblea de silicio. [ 9 ]

Grafino

El grafino 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, el grafino puede considerarse una hibridación mixta , sp n , donde 1  <  n  <  2, [ 10 ] [ 11 ] en comparación con el grafeno (sp 2 puro ) y el diamante (sp 3 puro ).

La existencia del grafino se conjeturó antes de 1960. [ 12 ] En 2010, el grafdiino (grafino con grupos diacetileno ) se sintetizó en sustratos de cobre . [ 13 ] En 2022, un equipo afirmó haber utilizado con éxito la metátesis de alquinos para sintetizar grafino, aunque esta afirmación es disputada. [ 14 ] [ 15 ] Sin embargo, después de una investigación, el artículo del equipo fue retractado por la publicación citando datos fabricados. [ 16 ] [ 17 ] Más tarde, durante 2022, se realizó con éxito la síntesis de γ-grafino multicapa a través de la polimerización de 1,3,5-tribromo-2,4,6-trietinilbenceno bajo condiciones de acoplamiento de Sonogashira . [ 18 ] [ 19 ] Recientemente, se ha afirmado que es un competidor del grafeno debido al potencial de los conos de Dirac dependientes de la dirección . [ 20 ] [ 21 ]

B: borofeno

A BEl grupo 36 podría considerarse el borofeno más pequeño; vista frontal y lateral.

El borofeno es una monocapa atómica cristalina de boro y también se conoce como lámina de boro . Predicho por primera vez por la teoría a mediados de la década de 1990 en estado libre, [ 22 ] y luego demostrado como capas monoatómicas distintas sobre sustratos por Zhang et al., [ 23 ] diferentes estructuras de borofeno fueron confirmadas experimentalmente en 2015. [ 24 ] [ 25 ] Los cálculos de primeros principios predicen que un borofeno de fase Kagome de bicapa es un superconductor anisotrópico con un fuerte acoplamiento electrón-fonón y una temperatura crítica del orden de 17-35 K. [ 26 ]

Ge: germaneno

El germaneno es un alótropo bidimensional del germanio con una estructura de panal deformada. [ 27 ] El germaneno sintetizado experimentalmente exhibe una estructura de panal. [ 28 ] [ 29 ] Esta estructura de panal consta de dos subredes hexagonales que están desplazadas verticalmente 0,2 Å entre sí. [ 30 ] Los experimentos han demostrado que los estados de borde de Hall de espín cuántico del germaneno persisten a temperatura ambiente y pueden desactivarse mediante un campo eléctrico, lo que indica una fase topológica robusta y altamente ajustable. [ 31 ]

Si: siliceno

Imagen STM de la primera ( 4×4 ) y segunda capa ( √3 × √3 - β ) de siliceno cultivado sobre una película delgada de plata. Tamaño de la imagen: 16×16 nm .

El siliceno es un alótropo bidimensional del silicio , con una estructura hexagonal en forma de panal similar a la del grafeno. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] Su crecimiento está sostenido por una aleación superficial de Si/Ag(111) omnipresente debajo de la capa bidimensional. [ 35 ] Al fabricar siliceno entre una capa amortiguadora de estaño 2D, se obtiene una lámina de siliceno encapsulada con estabilidad en el aire. [ 36 ]

Sn: estaneno

Imagen reticular de una lámina de estaneno, con una micrografía electrónica de gran área de la muestra en el recuadro central. El recuadro de la derecha muestra un patrón de difracción de electrones que confirma la estructura hexagonal.

El estaneno es un aislante topológico predicho 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. [ 37 ] Su estructura ondulada conduce a una alta reactividad contra contaminantes atmosféricos comunes como NO x y CO x y es capaz de atraparlos y disociarlos a baja temperatura. [ 38 ] Una determinación de la estructura del estaneno usando difracción de electrones de baja energía ha mostrado estaneno ultraplano sobre una superficie de Cu(111). [ 39 ]

Pb: plumbeno

El plumbeno es un alótropo bidimensional del plomo , con una estructura hexagonal en forma de panal similar a la del grafeno. [ 40 ] Debido a su elevada masa atómica y fuerte acoplamiento espín-órbita, se predice que el plumbeno tendrá una banda prohibida de aproximadamente 0,2 eV y se comportará como un aislante topológico bidimensional robusto, lo que podría permitir el efecto Hall de espín cuántico a temperatura ambiente. [ 41 ]

P: fosforeno

Estructura del fosforeno: (a) vista inclinada, (b) vista lateral, (c) vista superior. Las esferas 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 brecha de banda no nula y muestra una alta movilidad electrónica. [ 42 ] Esta propiedad potencialmente lo convierte en un mejor semiconductor que el grafeno. [ 43 ] La síntesis de fosforeno consiste principalmente en métodos de clivaje micromecánico o exfoliación en fase líquida. El primero tiene un bajo rendimiento, mientras que el segundo produce nanohojas independientes en disolvente y no sobre un soporte sólido. Los enfoques de abajo hacia arriba, como la deposición química de vapor (CVD), aún no se han explorado debido a su alta reactividad. Por lo tanto, en el escenario actual, el método más efectivo para la fabricación de grandes áreas de películas delgadas de fosforeno consiste en técnicas de ensamblaje húmedo como Langmuir-Blodgett, que implican el ensamblaje seguido de la deposición de nanohojas sobre soportes sólidos. [ 44 ]

Sb: antimonio

El antimoneno es un alótropo bidimensional del antimonio , con sus átomos dispuestos en una red hexagonal ondulada. Los cálculos teóricos [ 45 ] predijeron que el antimoneno sería un semiconductor estable en condiciones ambientales con un rendimiento adecuado para la (opto)electrónica. El antimoneno se aisló por primera vez en 2016 mediante exfoliación micromecánica [ 46 ] y se comprobó que era muy estable en condiciones ambientales. Sus propiedades lo convierten también en un buen candidato para aplicaciones biomédicas y energéticas. [ 47 ]

El antimoneno ha demostrado ser muy prometedor tanto en aplicaciones de almacenamiento de energía como de detección electroquímica. En supercondensadores, los electrodos basados ​​en antimoneno han alcanzado una alta capacitancia específica (~1578 F g⁻¹ ) junto con una densidad de energía de 20 Wh/kg y una densidad de potencia de 4,8 kW/kg. [ 48 ] Además, el antimoneno se ha integrado en plataformas electroanalíticas para mejorar la detección de analitos. [ 49 ]

Bi: bismuteno

El bismuteno es un aislante topológico bidimensional formado por una red de panal de átomos de bismuto, sintetizado por primera vez en carburo de silicio en 2016. [ 50 ] [ 51 ] Su gran banda prohibida (~800 mV), impulsada por un fuerte acoplamiento espín-órbita, soporta un comportamiento de efecto Hall de espín cuántico a temperatura ambiente , lo que lo convierte en uno de los aislantes topológicos 2D de estado natural más robustos. [ 52 ] [ 53 ] Se ha informado de la exfoliación de arriba hacia abajo del bismuteno en varios casos [ 54 ] [ 55 ] y trabajos recientes promueven la implementación del bismuteno en el campo de la detección electroquímica. [ 56 ] [ 57 ] Los estudios mecánicos sobre el bismuteno revelan que este material combina una alta resistencia a la fractura, una rigidez moderada y una baja conductividad térmica, [ 58 ] lo que lo convierte en un fuerte candidato para dispositivos termoeléctricos y nanoelectrónicos.

Au: goldene

El 16 de abril de 2024, científicos de la Universidad de Linköping en Suecia informaron haber producido goldene , una monocapa de átomos de oro  de 100 nm de ancho. Lars Hultman , científico de materiales del equipo responsable de la nueva investigación, declaró: "Consideramos que goldene es el primer metal 2D independiente, hasta donde sabemos", lo que significa que no está unido a ningún otro material, a diferencia del plumbeno y el estaneno . Investigadores de la Universidad de Nueva York en Abu Dabi (NYUAD) informaron previamente haber sintetizado goldene en 2022; sin embargo, otros científicos han sostenido que el equipo de NYUAD no logró demostrar que fabricaron una lámina monocapa de oro, sino una multicapa. Se espera que goldene se utilice principalmente por sus propiedades ópticas, con aplicaciones como la detección o como catalizador . [ 59 ]

Rieles

Imagen topográfica 3D AFM de una nanohoja de paladio multicapa. [ 60 ]

Se han demostrado capas de platino de uno y dos átomos en una geometría de película bidimensional. [ 61 ] [ 62 ] Estas películas de platino atómicamente delgadas crecen epitaxialmente sobre grafeno, [ 61 ] lo que impone una tensión de compresión que modifica la química de la superficie del platino, al tiempo que permite la transferencia de carga a través del grafeno. [ 62 ] Se han sintetizado capas de un solo átomo de paladio con un espesor de hasta 2,6  Å, [ 60 ] y rodio con un espesor de menos de 4  Å [ 63 ] y se han caracterizado con microscopía de fuerza atómica y microscopía electrónica de transmisión.

Un titanio bidimensional formado mediante fabricación aditiva ( fusión láser de lecho de polvo ) alcanzó una resistencia superior a la de cualquier material conocido (un 50 % mayor que la aleación de magnesio WE54). El material se dispuso en una red tubular con una fina banda interna, fusionando dos estructuras reticulares complementarias. Esto redujo a la mitad la tensión en los puntos más débiles de la estructura. [ 64 ]

supercristales 2D

Se han propuesto y simulado teóricamente los supracristales de materiales 2D. [ 65 ] [ 66 ] Estos cristales monocapa están construidos a partir de 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 se organizarían hexagonalmente en lugar de átomos individuales, como el nodo repetitivo en la celda unitaria .

aleaciones 2D

Las aleaciones bidimensionales (o aleaciones superficiales) son una sola capa atómica de aleación que es inconmensurable con el sustrato subyacente. Un ejemplo son las aleaciones ordenadas 2D de Pb con Sn y con Bi. [ 67 ] [ 68 ] Se ha descubierto que las aleaciones superficiales sirven de andamiaje para capas bidimensionales, como en el caso del siliceno . [ 35 ]

compuestos

Estructura cristalina del nitruro de boro hexagonal bicapa. Cada capa está unida mediante interacción de van der Waals.

Monocapas de dicalcogenuros de metales de transición

La monocapa de MoS₂ , un dicalcogenuro de metal de transición (TMD) prototípico, consiste en una sola capa de átomos de molibdeno intercalada entre dos capas de átomos de azufre en una red hexagonal. Tiene un espesor de 0,65 nm, pero posee notables propiedades electrónicas. A diferencia del MoS₂ masivo , que tiene una banda prohibida indirecta de 1,2 eV, la monocapa es un semiconductor de banda prohibida directa con una brecha de aproximadamente 1,8 eV. [ 72 ] La banda prohibida directa produce una gran mejora en la fotoluminiscencia, lo que significa que emite luz de manera más eficiente que el material masivo. [ 73 ]

Estructuras de las fases 1T y 2H del disulfuro de molibdeno (MoS₂ ) , vistas a lo largo del eje b. Se muestran dos capas para cada fase con el fin de ilustrar el enlace covalente, que solo está presente dentro de las láminas.

El MoS₂ monocapa también carece de simetría de inversión, que acopla el espín del electrón con los distintos estados de valle. [ 74 ] Estas características estructurales y electrónicas únicas lo hacen ampliamente útil para una amplia gama de aplicaciones.

La monocapa de MoS₂ se ha utilizado para crear transistores de efecto de campo con una alta relación de corriente de encendido/apagado. [ 75 ] La banda prohibida directa de la monocapa da lugar a fotodetectores eficientes con alta sensibilidad en el rango de luz visible. [ 76 ] [ 77 ] Además, su espesor atómico y su flexibilidad mecánica la convierten en un buen material para circuitos flexibles o sensores portátiles.

El MoS₂ desempeña un papel importante en la catálisis. Los bordes de las monocapas de MoS₂ actúan como sitios activos para la reacción química. [ 78 ] Por esta razón, la ingeniería y fabricación de dispositivos pueden incluir consideraciones para maximizar el área superficial catalítica, por ejemplo, utilizando nanopartículas pequeñas en lugar de láminas grandes [ 78 ] o depositando las láminas verticalmente en lugar de horizontalmente. [ 79 ]

Grafano

Grafano

Mientras que el grafeno tiene una estructura reticular hexagonal tipo panal con enlaces dobles alternados que emergen de sus carbonos con hibridación sp², el grafano, que aún conserva la estructura hexagonal, es la versión totalmente hidrogenada del grafeno, donde cada carbono con hibridación sp³ está unido a un hidrógeno (fórmula química (CH) n ). Además, mientras que el grafeno es plano debido a su naturaleza de doble enlace, el grafano es irregular, con los hexágonos adoptando diferentes conformaciones estructurales fuera del plano, como la silla o el bote, para permitir los ángulos ideales de 109,5° que reducen la tensión del anillo, en una analogía directa con las conformaciones del ciclohexano. [ 80 ]

El grafano se teorizó por primera vez en 2003, [ 81 ] se demostró su estabilidad mediante cálculos de energía de primeros principios en 2007, [ 82 ] y se sintetizó experimentalmente por primera vez en 2009. [ 83 ] Existen varias rutas experimentales disponibles para la fabricación de grafano, incluyendo los métodos descendentes de reducción de grafito en solución o hidrogenación de grafito mediante plasma/gas hidrógeno, así como el método ascendente de deposición química en fase vapor. [ 80 ] El grafano es un aislante, con una banda prohibida predicha de 3,5 eV; [ 84 ] sin embargo, el grafeno parcialmente hidrogenado es un semiconductor, cuya banda prohibida está controlada por el grado de hidrogenación. [ 80 ]

Germanano

El germanano es un cristal monocapa compuesto de germanio con un enlace de hidrógeno en la dirección z para cada átomo. [ 85 ] [ 86 ] La estructura del germanano es similar a la del grafano . El germanio a granel no adopta esta estructura. El germanano se produce en una ruta de dos pasos que comienza con germanuro de calcio . A partir de este material, el calcio (Ca) se elimina por desintercalación con HCl para dar un sólido laminar con la fórmula empírica GeH. [ 87 ] Los sitios de Ca en la fase de Zintl CaGe 2 se intercambian con los átomos de hidrógeno en la solución de HCl, produciendo GeH y CaCl 2 .

SLSiN

SLSiN (acrónimo de Single - Layer Silicon Nitride ), un nuevo material 2D presentado como el primer miembro post-grafeno de Si 3 N 4 , fue descubierto computacionalmente en 2020 mediante simulaciones basadas en la teoría del funcional de la densidad. [ 88 ] Este nuevo material es inherentemente 2D , aislante con una banda prohibida de aproximadamente 4 eV y estable tanto termodinámicamente como en términos de dinámica de red.

Nitruro de boro hexagonal

Estructura cristalina del nitruro de boro cúbico. La transformación ocurre bajo presiones extremadamente altas de ~3000-8000 MPa y temperaturas de ~800-1900 ° C. [ 89 ]

La monocapa de nitruro de boro hexagonal (h-BN) es un material bidimensional análogo al grafeno, que consiste en una red plana de panal de abeja de átomos de boro y nitrógeno alternados con una constante de red casi idéntica a la del grafeno. [ 90 ] El nitruro de boro hexagonal tiene un fuerte enlace covalente sp 2 dentro de las capas y un débil acoplamiento de van der Waals entre ellas, lo que da lugar a una marcada anisotropía. La monocapa de hBN es un aislante eléctrico con una banda prohibida ancha de ~5,9-6,4 eV. [ 91 ] Además, una sola capa de hBN presenta una banda prohibida directa, mientras que las pocas capas y el material a granel tienen una banda prohibida indirecta y muestran una fuerte fotoluminiscencia en el rango UV debido a excitones fuertemente ligados. [ 92 ] También exhibe una excelente conductividad térmica en el plano y una robustez mecánica excepcional, con un módulo de Young de ~0,8 TPa y una resistencia a la fractura de ~70 GPa. [ 93 ]

Aleación superficial combinada

A menudo, los materiales monocapa, específicamente los alótropos elementales, se conectan al sustrato de soporte mediante aleaciones superficiales. [ 35 ] [ 37 ] Hasta ahora, este fenómeno se ha demostrado mediante una combinación de diferentes técnicas de medición para el siliceno, [ 35 ] para el cual la aleación es difícil de demostrar con una sola técnica y, por lo tanto, no se esperaba durante mucho tiempo. Por consiguiente, se puede esperar que tales aleaciones superficiales de andamiaje debajo de materiales bidimensionales también se encuentren debajo de otros materiales bidimensionales, influyendo significativamente en las propiedades de la capa bidimensional. Durante el crecimiento, la aleación actúa como base y andamiaje para la capa bidimensional, para la cual allana el camino. [ 35 ]

Orgánico

El Ni₃ ( HITP) ₂ es un conductor eléctrico orgánico, cristalino y estructuralmente ajustable con una gran superficie específica. El HITP es un compuesto químico orgánico (2,3,6,7,10,11-hexaaminotrifenileno ) . Comparte la estructura hexagonal de panal del grafeno . Las múltiples capas forman de forma natural pilas perfectamente alineadas, con aberturas idénticas de 2 nm en los centros de los hexágonos. La conductividad eléctrica a temperatura ambiente es de aproximadamente 40 S cm⁻¹ , comparable a la del grafito a granel y una de las más altas para cualquier estructura metalorgánica (MOF) conductora. La dependencia de la temperatura de su conductividad es lineal 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 . [ 94 ]    

Se afirmó que el material era el primero de un grupo formado por la combinación 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. [ 95 ]

Polímero

Utilizando melamina (estructura de anillos de carbono y nitrógeno) como monómero , los investigadores crearon 2DPA-1, una lámina de polímero bidimensional unida por enlaces de hidrógeno . La lámina se forma espontáneamente en solución, lo que permite la aplicación de películas delgadas mediante recubrimiento por centrifugación. El polímero tiene una resistencia a la fluencia dos veces mayor que la del acero y resiste una fuerza de deformación seis veces mayor que la del vidrio antibalas . Es impermeable a gases y líquidos. [ 96 ] [ 97 ]

Combinaciones

Las monocapas de materiales 2D se pueden combinar para formar estructuras en capas. Por ejemplo, el grafeno bicapa es un material compuesto por dos capas de grafeno . Uno de los primeros informes sobre el grafeno bicapa apareció en el artículo fundamental de 2004 publicado en Science por Geim y colaboradores, en el que describieron dispositivos que contenían solo una, dos o tres capas atómicas. Las combinaciones en capas de diferentes materiales 2D se denominan generalmente heteroestructuras de van der Waals . La twistrónica estudia cómo el ángulo (la torsión) entre las capas de materiales bidimensionales puede modificar sus propiedades eléctricas.

Caracterización

Se utilizan técnicas de microscopía como la microscopía electrónica de transmisión , [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] la difracción de electrones 3D , [ 101 ] la microscopía de sonda de barrido , [ 102 ] el microscopio de efecto túnel de barrido , [ 98 ] y la microscopía de fuerza atómica [ 98 ] [ 100 ] [ 102 ] para caracterizar el espesor y el tamaño de los materiales 2D. Las propiedades eléctricas y estructurales, como la composición y los defectos, se caracterizan mediante espectroscopía Raman , [ 98 ] [ 100 ] [ 102 ] la difracción de rayos X , [ 98 ] [ 100 ] y la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X. [ 103 ]

Caracterización mecánica

La caracterización mecánica de materiales 2D es difícil debido a la reactividad ambiental y las limitaciones del sustrato presentes en muchos de estos materiales. Por ello, muchas propiedades mecánicas se calculan mediante simulaciones de dinámica molecular o mecánica molecular . La caracterización mecánica experimental es posible en materiales 2D que pueden soportar las condiciones del montaje experimental, así como depositarse sobre sustratos adecuados o existir de forma independiente. Muchos materiales 2D también presentan deformación fuera del plano, lo que complica aún más las mediciones. [ 104 ]

La nanoindentación se utiliza comúnmente para medir experimentalmente el módulo elástico , la dureza y la resistencia a la fractura de materiales 2D. A partir de estos valores medidos directamente, existen modelos que permiten estimar la tenacidad a la fractura , el exponente de endurecimiento por deformación , la tensión residual y el límite elástico . Estos experimentos se realizan utilizando equipos de nanoindentación específicos o un microscopio de fuerza atómica (AFM). Generalmente, los experimentos de nanoindentación se llevan a cabo con el material 2D como una tira lineal sujeta en ambos extremos, sometida a indentación por una cuña, o con el material 2D como una membrana circular sujeta alrededor de la circunferencia, sometida a indentación por una punta curvada en el centro. La geometría de tira es difícil de preparar, pero permite un análisis más sencillo debido a los campos de tensión lineales resultantes. La geometría circular tipo tambor es más común y se puede preparar fácilmente exfoliando muestras sobre un sustrato con patrón. La tensión aplicada a la película durante el proceso de sujeción se denomina tensión residual. En el caso de capas muy delgadas de materiales 2D, la tensión de flexión generalmente se ignora en las mediciones de indentación, pero se vuelve relevante en muestras multicapa. Los valores del módulo elástico y la tensión residual se pueden extraer determinando las porciones lineal y cúbica de la curva experimental fuerza-desplazamiento. La tensión de fractura de la lámina 2D se extrae de la tensión aplicada en el momento de la falla de la muestra. Se encontró que el tamaño de la punta del AFM tiene poco efecto en la medición de la propiedad elástica, pero se encontró que la fuerza de ruptura tiene una fuerte dependencia del tamaño de la punta debido a la concentración de tensión en el ápice de la punta. [ 105 ] Usando estas técnicas, se encontró que el módulo elástico y el límite elástico del grafeno son 342 N/m y 55 N/m respectivamente. [ 105 ]

La medición del coeficiente de Poisson en materiales bidimensionales suele ser sencilla. Para obtener un valor, se somete una lámina bidimensional a tensión y se miden las respuestas de desplazamiento, o bien se realiza un cálculo de dinámica molecular. Se ha observado que las estructuras únicas presentes en los materiales bidimensionales dan lugar a un comportamiento auxético en el fosforeno [ 106 ] y el grafeno [ 107 ] , y a un coeficiente de Poisson de cero en el borofeno con estructura de red triangular [ 108 ] . 

Las mediciones del módulo de cizallamiento del grafeno se han obtenido midiendo un desplazamiento de la frecuencia de resonancia en un experimento con un oscilador de doble paleta, así como con simulaciones de dinámica molecular. [ 109 ] [ 110 ]

La tenacidad a la fractura de materiales 2D en Modo I (K IC ) se ha medido directamente estirando capas pre-fisuradas y monitorizando la propagación de la fisura en tiempo real. [ 111 ] También se han utilizado simulaciones de MD y simulaciones de mecánica molecular para calcular la tenacidad a la fractura en Modo I. En materiales anisotrópicos, como el fosforeno, se encontró que la propagación de la fisura ocurre preferentemente a lo largo de ciertas direcciones. [ 112 ] Se encontró que la mayoría de los materiales 2D experimentan fractura frágil.

Aplicaciones

La principal expectativa entre los investigadores es que, dadas sus excepcionales propiedades, los materiales 2D sustituirán a los semiconductores convencionales para dar lugar a una nueva generación de dispositivos electrónicos.

Aplicaciones biológicas

La investigación sobre nanomateriales 2D aún está en sus inicios, y la mayoría de los estudios se centran en dilucidar las características únicas del material , mientras que pocos informes se centran en las aplicaciones biomédicas de los nanomateriales 2D . [ 113 ] Sin embargo, los recientes y rápidos avances en nanomateriales 2D han planteado preguntas importantes y emocionantes sobre sus interacciones con entidades biológicas . 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 superficie-volumen y carga superficial.

Los nanomateriales bidimensionales (2D) son nanomateriales ultrafinos con un alto grado de anisotropía y funcionalidad química . [ 114 ] Los nanomateriales 2D son muy diversos en términos de sus propiedades mecánicas , químicas y ópticas , así como en tamaño, forma, biocompatibilidad y degradabilidad. [ 115 ] [ 116 ] Estas propiedades diversas hacen que los nanomateriales 2D sean adecuados para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo administración de fármacos , imágenes , ingeniería de tejidos , biosensores y sensores de gas , entre otros. [ 117 ] [ 118 ] 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, se están explorando los nanomateriales 2D para su uso en sistemas de administración de fármacos , donde pueden adsorber grandes cantidades de moléculas de fármacos y permitir un control superior sobre la cinética de liberación. [ 119 ] Además, sus excepcionales relaciones de área superficial a volumen y valores de módulo típicamente altos los hacen útiles para mejorar las propiedades mecánicas de los nanocompuestos biomédicos y los hidrogeles nanocompuestos , incluso a bajas concentraciones. Su extrema delgadez ha sido fundamental para avances en biodetección y secuenciación genética . 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 imagen, terapia fototérmica (PTT) y terapia fotodinámica (PDT).

A pesar del rápido desarrollo en el campo de los nanomateriales 2D, estos materiales deben evaluarse cuidadosamente en cuanto a su biocompatibilidad para que sean relevantes en aplicaciones biomédicas . [ 120 ] La novedad de esta clase de materiales implica que incluso los materiales 2D relativamente bien establecidos, como el grafeno, se comprenden poco en términos de sus interacciones fisiológicas con los tejidos vivos . Además, las complejidades del tamaño y la forma variables de las partículas, las impurezas de la fabricación y las interacciones con proteínas e inmunitarias han dado lugar a un conocimiento fragmentado sobre la biocompatibilidad de estos materiales.

Véase también

Referencias

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  • "¿Qué son los materiales 2D y por qué interesan a los científicos?" en Columbia News (6 de marzo de 2024)
  • "Veinte años de materiales 2D" en Nature Physics (16 de enero de 2024)

Lecturas adicionales

  • Xu, Yang; Cheng, Cheng; Du, Sichao; Yang, Jianyi; Yu, Bin; Luo, Jack; Yin, Wenyan; Li, Erping; Dong, Shurong; Sí, Peide; Duan, Xiangfeng (2016). "Contactos entre materiales bidimensionales y tridimensionales: heterouniones óhmicas, Schottky y p – n". ACS Nano . 10 (5): 4895– 4919. Código bibliográfico : 2016ACSNa..10.4895X . doi : 10.1021/acsnano.6b01842 . PMID 27132492 . 
  • 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". 2D Materials . 6 (2): 022001. Bibcode : 2019TDM.....6b2001B . doi : 10.1088/2053-1583/aaf836 . OSTI 1503991. S2CID 188118830 .  
  • Shahzad, F.; Alhabeb, M.; Hatter, CB; Anasori, B.; Man Hong, S.; Koo, CM; Gogotsi, Y. (2016). "Apantallamiento contra interferencias electromagnéticas con carburos de metales de transición 2D (MXenes)" . Science . 353 (6304): 1137– 1140. Bibcode : 2016Sci...353.1137S . doi : 10.1126/science.aag2421 . PMID 27609888 . 
  • "Usos y aplicaciones del grafeno" . Graphenea . Consultado el 13 de abril de 2014 .
  • cao, yameng; Robson, Alexander J.; Alharbi, Abdullah; Roberts, Jonathan; Woodhead, Christopher Stephen; Noori, Yasir Jamal; Gavito, Ramon Bernardo; Shahrjerdi, Davood; Roedig, Utz (2017). "Identificación óptica mediante imperfecciones en materiales 2D". 2D Materials . 4 (4): 045021. arXiv : 1706.07949 . Bibcode : 2017TDM.....4d5021C . doi : 10.1088/2053-1583/aa8b4d . S2CID 35147364 . 
  • Kolesnichenko, Pavel; Zhang, Qianhui; Zheng, Changxi; Fuhrer, Michael; Davis, Jeffrey (2021). "Análisis multidimensional de espectros excitónicos de monocapas de disulfuro de tungsteno: hacia la identificación asistida por computadora de perturbaciones estructurales y ambientales de materiales 2D" . Machine Learning: Science and Technology . 2 (2): 025021. arXiv : 2003.01904 . doi : 10.1088/2632-2153/abd87c .
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