Bilatzailea
Descobriment d'un grafè nanoporoso funcional
Aquest estudi ens presenta un alotropo de carboni bidimensional revolucionari i funcional, una nova forma de carboni que supera un important obstacle per a l'ús del grafè en electrònica. Aquest nou material és molt estable en presència d'oxigen i aire, i a causa de la naturalesa químicament activa de les seves nanoporos, té una alta afinitat per molècules com el monòxid de carboni (CO). Gràcies a aquesta doble funcionalitat, el descobriment obre el camí tant a tecnologies de semiconductors més ràpides i eficients com a sensors químics d'alta sensibilitat per al monitoratge de contaminants ambientals.
El carboni és un dels elements més versàtils de la taula periòdica i sol aparèixer en formes molt diferents, com a grafit i diamant. Entre les formes bidimensionals del carboni (2D), el grafè ha fascinat a la comunitat científica per la seva extraordinària resistència i conductivitat. No obstant això, el grafè immaculat no té bandes prohibides, cosa que significa que actua com a metall i no com a semiconductor. Això limita considerablement l'ús del grafè en l'electrònica digital, ja que els transistors necessiten materials que es puguin activar i desactivar de manera controlada. Per a superar aquest obstacle, en un estudi dirigit per la Dra. Martina Corso (CFM-MPC), el Prof. Aran García-Lekue (DIPC) i el Dr. Ignacio Piquero-Zulaica (CFM-MPC), publicat en la revista Advanced Materials, es descriu un alotropo de carboni 2D fins ara desconegut. Aquest nou material combina l'estructura bàsica del grafè amb els nanoporos de tipus [18]-anuleno i els segments de bifenileno. En aquests segments de bifenileno els anells de vuit membres apareixen alternats amb els anells de quatre membres (vegeu la figura 1).
La clau d'aquest avanç radica en la precisió atòmica obtinguda mitjançant síntesi superficial (OSS) i l'aplicació del disseny «de baix a dalt» (bottom-up). Els grups de treball del professor Sinitskii (Universitat de Nebraska) van dissenyar una sèrie de precursors moleculars específics. Quan aquests precursors es col·loquen sobre una superfície d'or i s'escalfen de manera controlada en estat de buit ultrahandio (UHV), s'acoblen en forma de 12 pGNR, que posteriorment es fusionen entre si pels costats (vegeu la figura 2). Aquest procés elimina els defectes estructurals típics de la síntesi convencional i permet la creació d'una estructura contínua de grafè nanoporoso (NPG) amb un patró periòdic d'anells de quatre, sis i vuit membres, que es mostren mitjançant microscopis d'efecte túnel a baixa temperatura (LT-STM) i microscopis de força atòmica sense contacte (nc-AFM) amb un FUNCIONALITZO (microscopi funcionalitzat). Controlant la geometria exacta d'aquests anells i porus, els científics són capaços de determinar com els electrons es desplaçaran a través del material i, per tant, programar el comportament elèctric i mecànic d'aquest material.
figura 2: Esquema de síntesi superficial (OSS) d'una estructura de grafè nanoporoso (NPG) amb nanoporos separats periòdicament els uns dels altres i segments de bifenileno (BP). El model OSS va ser creat pel Dr. Bernhard Zehz.
El disseny parteix de nanocintas de grafè tipus «butaca» (GNR) de 12 àtoms de carboni d'ample. En ells s'inclouen estratègicament els porus d'anuleno (12-pGNR). Aquests nanoporos actuen com a interrupcions en la xarxa hexagonal i alteren dràsticament l'estructura de les bandes electròniques del material, com s'ha vist per espectroscòpia de fotoemissió resolta en angle (ARPES). El grafè estàndard permet un flux d'electrons sense restriccions, però en utilitzar aquests porus de grandària nanomètrica es crea aquesta banda prohibida necessària per a la semiconductivitat. Depenent de com es connectin aquestes cintes —ja sigui a través d'enllaços de tipus grafè (NPG-G) o de tipus bifenileno (NPG-BP)— el material resultant tindrà una banda prohibida directa o indirecta, la qual cosa ofereix una versatilitat sense precedents per al disseny electrònic.
Des del punt de vista de l'enginyeria, les propietats mecàniques d'aquest nou alotropo comporten avantatges significatius. Si bé la presència de porus redueix l'enorme rigidesa natural que caracteritza al grafè pur, les unitats de bifenileno ajuden a reduir l'anisotropia mecànica. Això significa que la làmina respon de manera més uniforme a tensions procedents de diferents direccions, la qual cosa facilita la seva integració en dispositius pràctics que han de suportar estiraments o pressions variables. A aquesta estabilitat estructural s'afegeix una notable resistència ambiental, ja que es va observar que els NPG sintetitzats eren estables quan es van exposar a l'oxigen i a l'aire en les condicions ambientals.
La funcionalitat química del material és un altre pilar d'aquest descobriment. Els nanoporos no són només deficiències estructurals, sinó que actuen com a zones actives que interactuen més fàcilment amb les molècules de l'entorn. A través dels experiments d'adsorció de gasos, l'equip de recerca va demostrar que els porus tenen una afinitat selectiva pel monòxid de carboni (CO), que és el que prefigura enfront de l'oxigen (veure figura 1). Aquesta capacitat de capturar aquestes molècules de gas amb gran precisió obre el camí al desenvolupament de sensors químics d'alta sensibilitat a l'hora de realitzar diagnòstics mèdics, preservar el medi ambient i controlar els processos industrials.
La Teoria de la Densitat Funcional (DFT) i l'espectroscòpia d'efecte túnel (STS) van confirmar que els estats electrònics pròxims a la banda prohibida es concentren principalment en els segments interporals. Això suggereix una regla pràctica per al disseny: en triar quin tipus de segment (grafè o bifenileno) col·locar entre els porus, els dissenyadors poden «ajustar» la grandària i tipus de banda prohibida per a aplicacions específiques. Aquesta capacitat de personalitzar el comportament electrònic a escala atòmica és el que diferència a aquest material d'uns altres alotropos del carboni, com el grafidino, i el consolida com una plataforma sòlida per a la pròxima generació de nanoelectrónica.
En resum, aquesta recerca és una fita en la ciència dels materials, ja que és un pont entre la física fonamental i la utilitat pràctica. En combinar un suport de grafè amb tires de bifenileno i un patró de porus regular, s'ha creat un tipus de carboni bidimensional completament ajustable. La capacitat de controlar simultàniament la conducció elèctrica, la rigidesa mecànica i la reactivitat química a través del disseny molecular revela que l'arquitectura a nivell atòmic pot obrir portes completament noves en el camp dels futurs semiconductors, membranes de filtració i sensors.
Referència: P. Angulo-Portugal, M. Irizar, L. Huang et al. “A Functional 2D Carbon Allotrope Combining Nanoporous Graphene and Biphenylene Segments.” Adv. Mater. (2025): E11706 https://doi.org/10.1002/adma.202511706
Buletina
Bidali zure helbide elektronikoa eta jaso asteroko buletina zure sarrera-ontzian
