miniaturadeimagen| El grafeno es una capa única de átomos de carbono dispuestos en forma de panal.
En ciencia de materiales, el término materiales monocapa (single-layer), materiales de una sola capa, materiales de una única capa, materiales 2D o materiales bidimensionales se refiere a sólidos cristalinos constituidos por una sola capa de átomos. Estos materiales son prometedores para varios usos, pero de momento solo el grafeno tiene ya aplicaciones prácticas, mientras que los otros siguen siendo objeto de investigación.
Los materiales monocapa formados por un solo elemento químico generalmente se nombran añadiendo el sufijo -eno a las primeras letras de ese elemento o de una forma en que se presenta. Por ejemplo, grafeno, derivado del grafito, una forma en que se presenta el carbono. Los materiales de una sola capa que son compuestos de 2 o más elementos tienen sufijos -ano o -uro. Los materiales 2D generalmente se pueden clasificar como alótropos 2D de varios elementos o como compuestos (de 2 o más elementos químicos unidos por un enlace covalente).
Se ha predicho que podrían elaborarse cientos de materiales monocapa estables, y hasta miles. La estructura atómica y las propiedades básicas calculadas de muchos materiales monocapa potencialmente sintetizables se pueden encontrar en bases de datos. Los materiales 2D se pueden producir utilizando principalmente enfoques top-down y bottom-up: en el primero se exfolian láminas monoatómicas (2D) de un bloque de material (3D). En el segundo se sintetiza la lámina a partir de átomos individuales. Los métodos de exfoliación incluyen sonicación, exfoliación mecánica, hidrotermal, electroquímica, asistida por láser y asistida por microondas.
Materiales constituidos por un solo elemento químico
C: grafeno y grafino (la letra C no es por un orden A, B, C, sino el símbolo del elemento químico constitutivo, en este caso el carbono)
Grafeno El grafeno (graphene en inglés) es un alótropo cristalino del carbono en forma de una lámina casi transparente (a la luz visible) de un átomo de espesor. Una lámina de grafeno es cientos de veces más resistente que una lámina del mismo peso de la mayoría de los aceros. Tiene la conductividad térmica y eléctrica más alta conocida, mostrando densidades de corriente un millón de veces mayores que las del cobre. Se produjo por primera vez en 2004.
Andre Geim y Konstantín Novosiólov ganaron el Premio Nobel de Física 2010 «por experimentos innovadores sobre el material bidimensional grafeno». Lo produjeron por primera vez pegando cinta adhesiva a un trozo de grafito, despegándola, y luego transfiriendo a una oblea de silicio los copos de grafeno que se habían quedado adheridos a la cinta.
Grafino El grafino (graphyne en inglés) 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 (enlaces triples C≡C). Dependiendo del contenido de los grupos acetileno, el grafeno puede considerarse una hibridación mixta, spn, donde 1 < n < 2, en comparación con el grafeno (sp 2 puro) y el diamante (sp 3 puro).
Los cálculos de primer principio utilizando curvas de dispersión de fonones y temperatura finita ab initio, y las simulaciones de dinámica molecular por mecánica cuántica mostraron que el grafino y sus análogos de nitruro de boro son estables.
La posibilidad del grafino se conjeturó antes de 1960. Todavía no ha sido sintetizado. Sin embargo, el grafdiino (graphdiyne en inglés, grafeno con grupos diacetileno) se sintetizó sobre sustratos de cobre. Recientemente, se ha afirmado que es un competidor del grafeno debido al potencial de los conos de Dirac dependientes de la dirección.
B: borofeno miniaturadeimagen| Vista frontal y lateral de una agrupación , que podría verse como el borofeno más pequeño El borofeno es una monocapa atómica cristalina de boro. También se conoce como lámina de boro. La teoría predijo a mediados de la década de 1990 que podía existir en un estado independiente, y en 2015 Zhang et al. confirmaron experimentalmente distintas capas monoatómicas de borofeno en diferentes sustratos.
Ge: germaneno El germaneno es un alótropo bidimensional del germanio con una estructura de panal combado. El germaneno sintetizado experimentalmente muestra esa estructura de panal, que consta de dos subredes hexagonales desplazadas verticalmente 0,2 A (ángstroms) entre sí.
Si: siliceno miniaturadeimagen| Imagen STM de la primera ( 4×4 ) y segunda capa ( √ 3 × √ 3 - β ) de siliceno depositado sobre una fina película de plata. El tamaño real de la estructura es 16×16 nm (nanómetros, 10-9 metros). El siliceno es un alótropo bidimensional del silicio, con una estructura de panal hexagonal similar a la del grafeno. | doi= 10.1021/cr300263a | pmid= 23286380}} Para obtenerlo se depositan átomos de silicio sobre una superficie de una aleación Si/Ag con la orientación cristalina 111, que sirve de andamio del material monocapa.
Sn: estaneno miniaturadeimagen| Imagen de celosía de un copo (flake) de estaneno. El cuadro central inferior muestra una microfotografía electrónica del copo a mayor escala. El cuadro derecho, casi todo negro, es un patrón de difracción de electrones que confirma la estructura hexagonal. El estaneno es un aislante topológico predicho que puede mostrar corrientes eléctricas sin disipación (superconductividad) en sus bordes cerca de la temperatura ambiente. Está compuesto por una sola capa de átomos de estaño dispuestos de manera similar al grafeno. Su estructura combada conduce a una alta reactividad frente a los contaminantes atmosféricos comunes, como los óxidos de nitrógeno (NOx), el dióxido de carbono y el monóxido de carbono, y es capaz de atraparlos y disociarlos (por ejemplo en nitrógeno y oxígeno) a baja temperatura. Supporting Information Una determinación de la estructura del estaneno usando difracción de electrones de baja energía ha mostrado un estaneno ultraplano en una superficie de cobre(111).
Pb: plumbeno El plumbeno es un alótropo bidimensional del plomo, con una estructura de panal hexagonal similar a la del grafeno..
P: fosforeno miniaturadeimagen| Estructura de fosforeno: (a) vista inclinada, (b) vista lateral, (c) vista superior. Las bolas rojas representan átomos de fósforo en la capa inferior, y las azules, en la 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 banda prohibida distinta de cero a la vez que muestra una alta movilidad de electrones. Esta propiedad lo convierte potencialmente en un mejor semiconductor que el grafeno. La síntesis de fosforeno consiste principalmente en métodos de escisión micromecánica o exfoliación en fase líquida. El primero tiene un rendimiento bajo, mientras que el segundo produce nanoláminas independientes en el solvente, pero no en el soporte sólido que sería necesario para su utilización. Los enfoques de abajo hacia arriba, como la deposición química de vapor (CVD), de momento no funcionan con el fósforo debido a su alta reactividad. Por lo tanto, actualmente el método más eficaz para la fabricación de películas delgadas de fosforeno sobre superficies grandes consiste en técnicas de ensamblaje en húmedo como Langmuir-Blodgett, que implica el ensamblaje seguido de la deposición de nanoláminas sobre soportes sólidos.
Sb: antimoneno El antimoneno es un alótropo bidimensional del antimonio, con sus átomos dispuestos en una red de panal combado. Los cálculos teóricos 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 y se descubrió que era muy estable en condiciones ambientales. y sumergido en agua. También se puede producir por exfoliación en fase líquida. Sus propiedades lo convierten también en un buen candidato para aplicaciones biomédicas y energéticas.
En un estudio realizado en 2018, se sometieron electrodos serigrafiados (SPE) modificados con antimoneno a una prueba de carga/descarga galvanostática utilizando un enfoque de dos electrodos para caracterizar sus propiedades supercapacitivas. La mejor configuración observada, que contenía 36 nanogramos (ng) de antimoneno en el SPE, mostró inicialmente una capacitancia específica de 1 578 F g- 1 a una corriente de 14 A g -1. Esta capacitancia cayó al 65% de la inicial tras los primeros 800 ciclos de carga/descarga, pero luego permaneció entre el 65% y el 63% durante los 9200 ciclos restantes. Es sistema antimoneno/SPE también mostró una densidad de energía de 20 mW h kg −1 y una densidad de potencia de 4,8 kW kg −1. Estas propiedades supercapacitivas hacen del antimoneno un material prometedor para electrodos de supercondensadores.
Un estudio más reciente sobre SPE modificados con antimoneno muestra la capacidad inherente de las capas de antimoneno para formar capas pasivadas electroquímicamente para facilitar las mediciones electroanalíticas en entornos oxigenados, en los que la presencia de oxígeno disuelto normalmente dificulta el procedimiento analítico. El mismo estudio también describe la producción in situ de nanocompuestos de óxido de antimoneno/PEDOT:PSS como plataformas electrocatalíticas para la determinación de compuestos nitroaromáticos.
Bi: bismuteno El bismuteno es un alótropo bidimensional (2D) del bismuto. En 2015 se predijo que sería un aislante topológico y que conservaría su fase topológica cuando se depositara sobre carburo de silicio. La predicción se cumplió en 2016, cuando se consiguió por primera vez producir este material.
A primera vista es similar al grafeno, ya que los átomos de Bi se organizan en forma de panal. Sin embargo, la banda prohibida llega a 800 mV (milivoltios) debido al gran acoplamiento espín-órbita de los átomos de Bi y su interacción con el sustrato. Por lo tanto, las aplicaciones a temperatura ambiente del efecto Hall de espín cuántico están al alcance de la mano.
Del bismuteno se ha dicho que es el mayor aislador topológico 2D de banda prohibida no trivial en su estado natural. La exfoliación de bismuteno a partir de un bloque tridimensional de bismuto se ha conseguido en varios casos, con trabajos recientes que proponen la implementación del bismuteno en la detección electroquímica. Emdadul et al. predijeron la resistencia mecánica y la conductividad térmica de fonones del β-bismuteno monocapa mediante análisis a escala atómica. La resistencia a la fractura a temperatura ambiente (300K, unos 27°C) obtenida es ~4,21N/m en la dirección del sillón (armchair en inglés, una forma de denominar a una geometría de hexágonos) y ~4,22N/m en la dirección en zigzag. A 300K sus módulos de Young son ~26,1N/m y ~25,5N/m, respectivamente, a lo largo de las direcciones de sillón y zigzag. Además, su conductividad térmica de fonones prevista de ~1,3W/(m∙K) a 300K es considerablemente más baja que la de otros panales 2D análogos, lo que lo convierte en un material prometedor para operaciones termoeléctricas.
Metales derecha|miniaturadeimagen| Imagen topográfica 3D AFM de una nanolámina de paladio multicapa. Se han conseguido capas monoatómicas de platino en una geometría de lámina bidimensional. También de un grosor de 2 átomos. Estas películas de platino crecen epitaxialmente sobre grafeno, lo que impone una tensión de compresión que modifica la química de la superficie del platino, al mismo tiempo que permite la transferencia de carga a través del grafeno. Capas de un solo átomo de paladio con un espesor de hasta 2,6 Å, y rodio con un espesor inferior a 4 Å también se han sintetizado y caracterizado con microscopía de fuerza atómica y microscopía electrónica de transmisión.