¿Qué son los materiales 2D y por qué interesan a los científicos?

Si ha leído últimamente alguna historia sobre investigación cuántica, en Columbia News o en otros lugares, es posible que haya escuchado el término Materiales 2D o bidimensionales.

Una ilustración de la estructura atómica del grafeno, una forma de carbono 2D ultrarresistente.

En enero, químicos de Columbia publicaron un estudio sobre el primer Fermión pesado 2D, una clase de material con electrones muy pesados. En noviembre, la facultad de Ingeniería publicó un artículo sobre “Impulsión láser de un material 2D.” Y a principios del año pasado, Los investigadores encontraron superconductividad y ferroelectricidad en el mismo material 2D.. La lista continua.

Entonces, ¿qué son los materiales 2D y por qué están tan interesados ​​los científicos?

Los materiales bidimensionales son exactamente lo que parecen: materiales que tienen sólo 1 o 2 átomos de espesor pero son más anchos en todas las demás direcciones. A menudo, los materiales 2D con los que trabajan los científicos tienen un tamaño de unos pocos micrómetros cuadrados, invisibles a simple vista, pero visibles con el tipo de microscopio que podría haber utilizado en las clases de ciencias de la escuela secundaria. Los materiales 2D con los que están trabajando los científicos son una mezcla de materiales naturales, como el grafeno, una forma de carbono ultrafuerte descubierta en Columbia en 2004, y materiales sintetizados en laboratorios, como CeSil, un cristal ensamblado por primera vez en Columbia el año pasado. compuesto de cerio, silicio y yodo. Estos materiales generalmente comienzan siendo tridimensionales, y los científicos los reducen a dos dimensiones para realizar experimentos con ellos y descubrir qué propiedades físicas, como superconductividad o magnetismo, podría surgir cuando los materiales tengan átomos planos. Los científicos están trabajando en el desarrollo de nuevas formas de crear materiales 2D desde cero, sin necesidad de despegarlos del 3D, pero la calidad de estos aún es imperfecta.

Muchas cosas hacen que los materiales 2D sean interesantes, pero una de las principales es que limitan las formas en que partículas como los electrones pueden moverse dentro de ellos. Químico de Columbia Xavier Roy usó una analogía del tráfico para explicar:

“Piénselo así: si tuviéramos autos voladores que pudieran viajar en el espacio tridimensional, podríamos reducir la mayor parte del tráfico en Nueva York. Pero como nuestros automóviles actuales sólo pueden viajar en dos dimensiones, terminamos con enormes atascos en Times Square”, dijo Roy en una entrevista reciente.

“Lo mismo ocurre con los electrones cuando pasamos de 3D a 2D, pero en nuestro caso, ¡el ‘tráfico’ entre electrones es beneficioso! A medida que estas interacciones electrón-electrón se vuelven más fuertes, podemos cambiar completamente las propiedades de un material. Por ejemplo, a medida que se reduce el espesor de los materiales de fermiones pesados ​​tridimensionales (es decir, a medida que se vuelven más bidimensionales), pueden pasar de ser magnéticos a superconductores”.

Los materiales bidimensionales también se pueden modificar con relativa facilidad: apilarlos con ligeros ángulos entre las capas, aplicar fuerzas como campos eléctricos y campos magnéticos y tensar los materiales girándolos o aplicándoles presión puede cambiar sus propiedades. Tomemos sólo un ejemplo: simplemente apilando dos láminas de un material llamado diseleniuro de tungsteno una encima de otra, girándolas y agregando o quitando carga eléctrica, el material Puede cambiar de un metal conductor de electricidad a un aislante que bloquea la electricidad. y de regreso.

Los científicos también están entusiasmados con los usos potenciales de los materiales 2D en tecnología, a los que los científicos a menudo se refieren como «aplicaciones».

Los materiales bidimensionales probablemente desempeñarán un papel vital en la próxima generación de electrónica, incluidas las computadoras cuánticas aún en desarrollo. ¿Por qué? En gran parte, porque los materiales 2D son ultrapequeños con propiedades únicas y controlables (como la superconductividad), y la tecnología siempre está buscando algo que pueda lograr resultados más rápidamente, más eficientemente y usando menos espacio.

Fuente: Universidad de Colombia