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Descubrimiento de un grafeno nanoporoso funcional
Este estudio nos presenta un alotropo de carbono bidimensional revolucionario y funcional, una nueva forma de carbono que supera un importante obstáculo para el uso del grafeno en electrónica. Este nuevo material es muy estable en presencia de oxígeno y aire, y debido a la naturaleza químicamente activa de sus nanoporos, tiene una alta afinidad por moléculas como el monóxido de carbono (CO). Gracias a esta doble funcionalidad, el descubrimiento abre el camino tanto a tecnologías de semiconductores más rápidas y eficientes como a sensores químicos de alta sensibilidad para la monitorización de contaminantes ambientales.
El carbono es uno de los elementos más versátiles de la tabla periódica y suele aparecer en formas muy diferentes, como grafito y diamante. Entre las formas bidimensionales del carbono (2D), el grafeno ha fascinado a la comunidad científica por su extraordinaria resistencia y conductividad. Sin embargo, el grafeno inmaculado no tiene bandas prohibidas, lo que significa que actúa como metal y no como semiconductor. Esto limita considerablemente el uso del grafeno en la electrónica digital, ya que los transistores necesitan materiales que se puedan activar y desactivar de forma controlada. Para superar este obstáculo, en un estudio dirigido por la Dra. Martina Corso (CFM-MPC), el Prof. Aran García-Lekue (DIPC) y el Dr. Ignacio Piquero-Zulaica (CFM-MPC), publicado en la revista Advanced Materials, se describe un alotropo de carbono 2D hasta ahora desconocido. Este nuevo material combina la estructura básica del grafeno con los nanoporos de tipo [18]-anuleno y los segmentos de bifenileno. En estos segmentos de bifenileno los anillos de ocho miembros aparecen alternados con los anillos de cuatro miembros (véase la figura 1).
La clave de este avance radica en la precisión atómica obtenida mediante síntesis superficial (OSS) y la aplicación del diseño «de abajo a arriba» (bottom-up). Los grupos de trabajo del profesor Sinitskii (Universidad de Nebraska) diseñaron una serie de precursores moleculares específicos. Cuando estos precursores se colocan sobre una superficie de oro y se calientan de forma controlada en estado de vacío ultrahandio (UHV), se ensamblan en forma de 12 pGNR, que posteriormente se fusionan entre sí por los lados (véase la figura 2). Este proceso elimina los defectos estructurales típicos de la síntesis convencional y permite la creación de una estructura continua de grafeno nanoporoso (NPG) con un patrón periódico de anillos de cuatro, seis y ocho miembros, que se muestran mediante microscopios de efecto túnel a baja temperatura (LT-STM) y microscopios de fuerza atómica sin contacto (nc-AFM) con un FUNCIONALIZO (microscopio funcionalizado). Controlando la geometría exacta de estos anillos y poros, los científicos son capaces de determinar cómo los electrones se desplazarán a través del material y, por lo tanto, programar el comportamiento eléctrico y mecánico de este material.
figura 2: Esquema de síntesis superficial (OSS) de una estructura de grafeno nanoporoso (NPG) con nanoporos separados periódicamente unos de otros y segmentos de bifenileno (BP). El modelo OSS fue creado por el Dr. Bernhard Zehz.
El diseño parte de nanocintas de grafeno tipo «sillón» (GNR) de 12 átomos de carbono de ancho. En ellos se incluyen estratégicamente los poros de anuleno (12-pGNR). Estos nanoporos actúan como interrupciones en la red hexagonal y alteran drásticamente la estructura de las bandas electrónicas del material, como se ha visto por espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES). El grafeno estándar permite un flujo de electrones sin restricciones, pero al utilizar estos poros de tamaño nanométrico se crea esa banda prohibida necesaria para la semiconductividad. Dependiendo de cómo se conecten estas cintas —ya sea a través de enlaces de tipo grafeno (NPG-G) o de tipo bifenileno (NPG-BP)— el material resultante tendrá una banda prohibida directa o indirecta, lo que ofrece una versatilidad sin precedentes para el diseño electrónico.
Desde el punto de vista de la ingeniería, las propiedades mecánicas de este nuevo alotropo conllevan ventajas significativas. Si bien la presencia de poros reduce la enorme rigidez natural que caracteriza al grafeno puro, las unidades de bifenileno ayudan a reducir la anisotropía mecánica. Esto significa que la lámina responde de manera más uniforme a tensiones procedentes de diferentes direcciones, lo que facilita su integración en dispositivos prácticos que deben soportar estiramientos o presiones variables. A esta estabilidad estructural se añade una notable resistencia ambiental, ya que se observó que los NPG sintetizados eran estables cuando se expusieron al oxígeno y al aire en las condiciones ambientales.
La funcionalidad química del material es otro pilar de este descubrimiento. Los nanoporos no son solo deficiencias estructurales, sino que actúan como zonas activas que interactúan más fácilmente con las moléculas del entorno. A través de los experimentos de adsorción de gases, el equipo de investigación demostró que los poros tienen una afinidad selectiva por el monóxido de carbono (CO), que es el que prefigura frente al oxígeno (ver figura 1). Esta capacidad de capturar estas moléculas de gas con gran precisión abre el camino al desarrollo de sensores químicos de alta sensibilidad a la hora de realizar diagnósticos médicos, preservar el medio ambiente y controlar los procesos industriales.
La Teoría de la Densidad Funcional (DFT) y la espectroscopia de efecto túnel (STS) confirmaron que los estados electrónicos cercanos a la banda prohibida se concentran principalmente en los segmentos interporales. Esto sugiere una regla práctica para el diseño: al elegir qué tipo de segmento (grafeno o bifenileno) colocar entre los poros, los diseñadores pueden «ajustar» el tamaño y tipo de banda prohibida para aplicaciones específicas. Esta capacidad de personalizar el comportamiento electrónico a escala atómica es lo que diferencia a este material de otros alotropos del carbono, como el grafidino, y lo consolida como una plataforma sólida para la próxima generación de nanoelectrónica.
En resumen, esta investigación es un hito en la ciencia de los materiales, ya que es un puente entre la física fundamental y la utilidad práctica. Al combinar un soporte de grafeno con tiras de bifenileno y un patrón de poro regular, se ha creado un tipo de carbono bidimensional completamente ajustable. La capacidad de controlar simultáneamente la conducción eléctrica, la rigidez mecánica y la reactividad química a través del diseño molecular revela que la arquitectura a nivel atómico puede abrir puertas completamente nuevas en el campo de los futuros semiconductores, membranas de filtración y sensores.
Referencia: 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
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