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  • Investigación y Ciencia
  • Septiembre 2018Nº 504

Materiales

Viaje a un universo de dos dimensiones

La tabla periódica ofrece numerosas vías para crear materiales de uno o pocos átomos de espesor. Las singulares propiedades de estas estructuras bidimensionales están revolucionando la nanociencia.

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En 2004, los físicos André K. Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester, lograron aislar las primeras láminas de un nuevo material: el grafeno. Este alótropo del carbono, formado por capas de un solo átomo de espesor, se presentaba ante todo el mundo avalado por su extrema flexibilidad, ligereza y resistencia, así como por su excelente capacidad para conducir el calor y la electricidad. Aquel hallazgo, que se vería recompensado pocos años después con la concesión del Nobel, abrió todo un abanico de nuevos horizontes en investigación fundamental y en tecnología.

Las características que hacen único al grafeno se deben en gran parte a su carácter bidimensional. Sin embargo, este no es ni mucho menos el único material con esta propiedad. Más de una década después de su aislamiento, el número de materiales bidimensionales conocidos se ha multiplicado. Cautivados por sus sorprendentes propiedades, cada vez más investigadores exploran todas las posibilidades que ofrece la tabla periódica para diseñar y fabricar materiales de uno o unos pocos átomos de espesor. Son físicos, químicos, expertos en ciencia de materiales e ingenieros electrónicos, que complementan sus esfuerzos desde diferentes partes del mundo para permitirnos soñar con las sociedades del futuro. Sociedades más eficientes que estarán marcadas, entre otros avances, por la revolución nanotecnológica que auguran los materiales 2D.

Desde mediados del siglo pasado, los materiales compuestos por capas apiladas, como el grafito, el nitruro de boro o los dicalcogenuros de metales de transición, han sido objeto de numerosos estudios. Asimismo, los físicos de estado sólido ya habían iniciado el camino hacia la electrónica bidimensional al centrarse en las superficies de contacto entre materiales laminares semiconductores, como el arseniuro de galio y otros. Estas investigaciones habían dado lugar a lo que se conoce como física del gas de electrones bidimensional, así como al interesante efecto Hall cuántico, un fenómeno descubierto en 1980 por Klaus von Klitzing, quien cinco años más tarde recibiría por ello el premio Nobel de física [véase «El efecto Hall cuántico», por Klaus von Klitzing; Investigación y Ciencia, mayo de 1986]. Sin embargo, la mecha de lo que hoy llamamos «revolución 2D» prendió en 2004 con el aislamiento del grafeno.

El enorme atractivo de este universo en miniatura reside en que las propiedades de una sustancia pueden cambiar de manera muy drástica con el tamaño. A medida que nos acercamos a la monocapa atómica, las leyes cuánticas dominan la partida y los electrones adquieren un nuevo comportamiento, lo que confiere al material propiedades que jamás habríamos imaginado en el sistema tridimensional. Así, algunos semiconductores, como el grafito de las minas de los lápices, se convierten en semimetales, como el grafeno, mientras que otros adquieren propiedades que los convierten en candidatos óptimos para constituir los dispositivos electrónicos del futuro. Pero, además, las películas de uno o pocos átomos de espesor pueden combinarse entre sí como si de piezas de lego se tratara, lo que expande aún más el abanico de posibilidades.

Aunque el grafeno sigue siendo el material estrella en lo que llevamos de siglo, sus atractivas propiedades han catalizado la aparición —y, en muchos casos, la resurrección— de nuevas familias de nanomateriales basados en sistemas laminares. Ello ha dado lugar a un nuevo campo, a medio camino entre la física y la química, que se encuentra en continua expansión. Hoy contamos con un menú formado por materiales tan variopintos como los dicalcogenuros de metales de transición, caracterizados por sus propiedades semiconductoras, superconductoras e incluso magnéticas; aislantes como el nitruro de boro; haluros metálicos con propiedades ferromagnéticas, y, por último, el grupo de los «xenos» (siliceno, germaneno, estaneno, fosforeno, etcétera), que, al igual que el grafeno, constan de un único elemento y destacan por sus potenciales propiedades topológicas.

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