En comparación con el grafito, el grafeno posee mejoras notables en propiedades como la resistencia a la tracción, la flexibilidad, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica. El descubrimiento de este nanomaterial bidimensional (2D) compuesto por una sola capa de átomos de carbono ha despertado un creciente interés en la posible aplicación de capas de otros materiales con un grosor de un solo átomo.
Sobre esta base, los investigadores han trabajado en el desarrollo de otros materiales de un átomo de espesor, cada uno con propiedades y aplicaciones potenciales únicas.
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¿Qué es el grafeno?
El desarrollo del grafeno, una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor organizada en una red hexagonal, se documentó por primera vez en 2004. Los materiales 2D revolucionarios como este poseen una elevada relación superficie-volumen y son mucho más delgados, resistentes, ligeros y flexibles que los materiales tradicionales basados en carbono. Además, las dimensiones extremadamente reducidas del grafeno y los efectos de confinamiento cuántico le confieren propiedades novedosas inexistentes en los materiales a granel, como la transparencia y la semiconductividad. Los materiales de un átomo de espesor también interactúan fuertemente con otros materiales en compuestos, lo que genera efectos sinérgicos beneficiosos.
Los investigadores de materiales pueden utilizar CAS SciFinder para realizar búsquedas en la literatura de ciencia de materiales, identificando relaciones estructura-propiedad y métodos de síntesis que fomenten la innovación.
Tres categorías de capas de un átomo de espesor
Animados por el éxito del grafeno, los científicos comenzaron a estudiar otras capas de materiales de un átomo de espesor. La investigación actual se centra en tres tipos de materiales clasificados según su composición:
- X-enos: Sustancias sin metales como el grafeno, fosforeno, nitruro de boro, siliceno y nitruro de carbono grafítico
- Metal-X-enos: Compuestos que contienen metales como carburos, calcogenuros, nitruros, óxidos, hidróxidos y haluros de metales de transición
- Metalenos: Metales y aleaciones como el goldene, estaneno y germaneno, que pueden clasificarse a su vez en bimetalenos, trimetalenos, etc.
La Figura 1 traza la historia de la investigación sobre materiales 2D desde el descubrimiento del grafeno.
La Figura 2 presenta las subcategorías y los materiales individuales de un átomo de espesor que las componen, sus propiedades importantes y su relación con diversas aplicaciones.
Las propiedades únicas de las capas de oro de un átomo de espesor
De los metalenos en fase de desarrollo, el goldene —una capa única de átomos de oro— abre posibilidades científicas extraordinarias. Al esperarse que exhiba propiedades catalíticas y características ópticas únicas, el goldene resulta prometedor para aplicaciones en catálisis y optoelectrónica.
¿Qué convierte al goldene en un candidato potencialmente tan importante para su uso en células solares, sensores, baterías y otros dispositivos electrónicos?
- Espesor: El goldene es 400 veces más fino que el pan de oro comercial y se espera que tenga un espesor de 0,2-0,4 nm. Informes anteriores sobre capas de oro de un átomo de espesor soportadas sobre sustratos demuestran que son semiconductoras con una banda prohibida de 0,95-2,85 eV.
- Estabilidad térmica: Las predicciones teóricas indican que el goldene es térmicamente estable hasta los 1400 K, lo cual es similar al oro a granel y a las nanopartículas de oro
- Resistencia de enlace: La energía calculada por enlace del goldene es de 0,94 eV, cifra superior a los 0,52 eV del oro a granel debido al menor número de enlaces por átomo.
- Elasticidad: Se prevé que el módulo elástico (de Young) del goldene sea de 226 GPa, superior a los 76-80 GPa del oro a granel y a los 60 GPa de las nanoláminas de oro, y similar al del acero A36.
Teniendo en cuenta el elevado coste del oro, las propiedades mecánicas del goldene podrían ser menos importantes, ya que dichas aplicaciones suelen requerir grandes cantidades de material. Sin embargo, las mejoras en las propiedades eléctricas, catalíticas, ópticas y biomédicas del goldene son fundamentales, dado que existe demanda para muchas tecnologías emergentes y cruciales.
Posibles aplicaciones del goldene
Las oportunidades que ofrecen las capas de oro de un átomo de espesor son aún más fascinantes. Más allá de su uso ornamental y comercial, el oro ya es un metal importante en la ciencia y la tecnología, con aplicaciones en electrónica, catálisis heterogénea, electrocatalisis, sensores, fotónica y biomedicina. Dado que esta tecnología es reciente, el número de publicaciones relacionadas con capas de oro de un átomo de espesor es limitado hasta la fecha. Por ello, hemos optado por revisar las publicaciones que contienen nanoestructuras de oro ligeramente más gruesas, como nanoláminas, nanoplacas y películas, para analizar las aplicaciones reportadas del oro 2D.
Analizamos las palabras clave indexadas en la CAS Content Collection™ a partir de publicaciones sobre metalenos y oro 2D (Figura 3). Los conceptos predominantes en las publicaciones sobre metalenos están relacionados con la electrocatálisis y el almacenamiento de energía electroquímica, principalmente debido a que los metalenos están compuestos por metales nobles distintos del oro, como el paladio, el rodio, el platino y sus aleaciones.
Por el contrario, las publicaciones relacionadas con nanoestructuras de oro 2D destacan aplicaciones como sensores, administración de fármacos, terapia fototérmica y catálisis heterogénea. Esto se debe principalmente a la resonancia de plasmón superficial única que exhiben pocos metales, como el oro y la plata. La naturaleza inerte y biocompatible del oro, combinada con sus propiedades eléctricas y ópticas únicas, lo ha convertido en un material de confianza para aplicaciones biomédicas.
Desafíos que obstaculizan el desarrollo del goldene
Para aprovechar el potencial de este material innovador, los investigadores trabajan en la superación de numerosos retos que permitan hacer del goldene una opción viable para aplicaciones a gran escala.
Entre las tres categorías de materiales de un átomo de espesor, la síntesis de metalenos es la más compleja. Esto se debe a la naturaleza isotrópica de los enlaces en la mayoría de los metales, lo que hace que prefieran estructuras compactas, como nanopartículas y nanoestructuras unidimensionales (1D). Por el contrario, muchos compuestos de metales de transición y no metales están formados por estructuras en capas unidas por fuerzas de van der Waals, lo que facilita su separación en capas individuales mediante un enfoque descendente (top-down).
Se ha sintetizado un gran número de nanopartículas y nanoestructuras 1D y 2D de oro, las cuales han demostrado un alto rendimiento en diversas aplicaciones. Sin embargo, la preparación de oro 2D de un átomo de espesor seguía siendo un objetivo difícil de alcanzar. La mayoría de las nanoestructuras de oro 2D reportadas hasta ahora son capas de un átomo de espesor soportadas sobre otros materiales o compuestas por capas multiatómicas. Las capas de oro de un átomo de espesor tienen una fuerte tendencia termodinámica a coalescer en películas discontinuas formadas por islas de nanopartículas.
Un informe de 2022 sobre la síntesis de goldene ha sido cuestionado por otros científicos, quienes sugieren que se fabricó con varias capas de oro en lugar de una sola. No obstante, un informe reciente sobre la síntesis de goldene, en el que la capa de oro de un átomo de espesor fue estabilizada mediante tensioactivos y ligandos, ha atraído una atención considerable.
Un posible inconveniente del goldene es que posee una resistencia a la tracción de solo 12 GPa, muy inferior a los 100-200 GPa del oro a granel. También debe considerarse el desafío de estabilizar el goldene sin tensioactivos ni ligandos, ya que la presencia de estas moléculas en la superficie puede obstaculizar significativamente las propiedades superficiales del oro, tan valoradas en diversas aplicaciones.
¿Tiene el goldene un futuro prometedor?
La escalabilidad del desarrollo del goldene y el alcance de sus aplicaciones están aún por determinar. No obstante, es indudable que las propiedades únicas y fascinantes de los materiales de un átomo de espesor seguirán atrayendo el interés comercial y científico.
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