Bilatzailea
Descubrimento dun grafeno nanoporoso funcional
Este estudo preséntanos un alotropo de carbono bidimensional revolucionario e funcional, unha nova forma de carbono que supera un importante obstáculo para o uso do grafeno en electrónica. Este novo material é moi estable en presenza de osíxeno e aire, e debido á natureza químicamente activa das súas nanoporos, ten unha alta afinidade por moléculas como o monóxido de carbono (CO). Grazas a esta dobre funcionalidade, o descubrimento abre o camiño tanto a tecnoloxías de semiconductores máis rápidas e eficientes como a sensores químicos de alta sensibilidade para a monitorización de contaminantes ambientais.
O carbono é un dos elementos máis versátiles da táboa periódica e adoita aparecer en formas moi diferentes, como grafito e diamante. Entre as formas bidimensionales do carbono (2D), o grafeno fascinou á comunidade científica pola súa extraordinaria resistencia e conductividad. Con todo, o grafeno inmaculado non ten bandas prohibidas, o que significa que actúa como metal e non como semiconductor. Isto limita considerablemente o uso do grafeno na electrónica dixital, xa que os transistores necesitan materiais que se poidan activar e desactivar de forma controlada. Para superar este obstáculo, nun estudo dirixido pola Dra. Martina Corso (CFM-MPC), o Prof. Aran García-Lekue (DIPC) e o Dr. Ignacio Piquero-Zulaica (CFM-MPC), publicado na revista Advanced Materials, descríbese un alotropo de carbono 2D até agora descoñecido. Este novo material combina a estrutura básica do grafeno cos nanoporos de tipo [18]-anuleno e os segmentos de bifenileno. Nestes segmentos de bifenileno os aneis de oito membros aparecen alternados cos aneis de catro membros (véxase a figura 1).
A clave deste avance radica na precisión atómica obtida mediante síntese superficial (OSS) e a aplicación do deseño «de abaixo a arriba» (bottom-up). Os grupos de traballo do profesor Sinitskii (Universidade de Nebraska) deseñaron unha serie de precursores moleculares específicos. Cando estes precursores se colocan sobre unha superficie de ouro e quéntanse de forma controlada en estado sen carga ultrahandio (UHV), se ensamblan en forma de 12 pGNR, que posteriormente se fusionan entre si polos lados (véxase a figura 2). Este proceso elimina os defectos estruturais típicos da síntese convencional e permite a creación dunha estrutura continua de grafeno nanoporoso (NPG) cun patrón periódico de aneis de catro, seis e oito membros, que se mostran mediante microscopios de efecto túnel a baixa temperatura (LT-STM) e microscopios de forza atómica sen contacto (nc-AFM) cun FUNCIONALIZO (microscopio funcionalizado). Controlando a xeometría exacta destes aneis e poros, os científicos son capaces de determinar como os electróns se desprazarán a través do material e, por tanto, programar o comportamento eléctrico e mecánico deste material.
figura 2: Esquema de síntese superficial (OSS) dunha estrutura de grafeno nanoporoso (NPG) con nanoporos separados periodicamente uns doutros e segmentos de bifenileno (BP). O modelo OSS foi creado polo Dr. Bernhard Zehz.
O deseño parte de nanocintas de grafeno tipo «cadeira de brazos» (GNR) de 12 átomos de carbono de ancho. Neles inclúense estratexicamente os poros de anuleno (12-pGNR). Estes nanoporos actúan como interrupcións na rede hexagonal e alteran drasticamente a estrutura das bandas electrónicas do material, como se viu por espectroscopia de fotoemisión resolta en ángulo (ARPES). O grafeno estándar permite un fluxo de electróns sen restricións, pero ao utilizar estes poros de tamaño nanométrico créase esa banda prohibida necesaria para a semiconductividad. Dependendo de como se conecten estas cintas —xa sexa a través de enlaces de tipo grafeno (NPG-G) ou de tipo bifenileno (NPG-BP)— o material resultante terá unha banda prohibida directa ou indirecta, o que ofrece unha versatilidade sen precedentes para o deseño electrónico.
Desde o punto de vista da enxeñaría, as propiedades mecánicas deste novo alotropo levan vantaxes significativas. Aínda que a presenza de poros reduce a enorme rixidez natural que caracteriza ao grafeno puro, as unidades de bifenileno axudan a reducir a anisotropía mecánica. Isto significa que a lámina responde de maneira máis uniforme a tensións procedentes de diferentes direccións, o que facilita a súa integración en dispositivos prácticos que deben soportar estiramentos ou presións variables. A esta estabilidade estrutural engádese unha notable resistencia ambiental, xa que se observou que os NPG sintetizados eran estables cando se expuxeron ao osíxeno e ao aire nas condicións ambientais.
A funcionalidade química do material é outro alicerce deste descubrimento. Os nanoporos non son só deficiencias estruturais, senón que actúan como zonas activas que interactúan máis facilmente coas moléculas da contorna. A través dos experimentos de absorción de gases, o equipo de investigación demostrou que os poros teñen unha afinidade selectiva polo monóxido de carbono (CO), que é o que prefigura fronte ao osíxeno (ver figura 1). Esta capacidade de capturar estas moléculas de gas con gran precisión abre o camiño ao desenvolvemento de sensores químicos de alta sensibilidade á hora de realizar diagnósticos médicos, preservar o medio ambiente e controlar os procesos industriais.
A Teoría da Densidade Funcional (DFT) e a espectroscopia de efecto túnel (STS) confirmaron que os estados electrónicos próximos á banda prohibida concéntranse principalmente nos segmentos interporales. Isto suxire unha regra práctica para o deseño: ao elixir que tipo de segmento (grafeno ou bifenileno) colocar entre os poros, os deseñadores poden «axustar» o tamaño e tipo de banda prohibida para aplicacións específicas. Esta capacidade de personalizar o comportamento electrónico a escala atómica é o que diferenza a este material doutros alotropos do carbono, como o grafidino, e consolídao como unha plataforma sólida para a próxima xeración de nanoelectrónica.
En resumo, esta investigación é un fito na ciencia dos materiais, xa que é unha ponte entre a física fundamental e a utilidade práctica. Ao combinar un soporte de grafeno con tiras de bifenileno e un patrón de poro regular, creouse un tipo de carbono bidimensional completamente axustable. A capacidade de controlar simultaneamente a condución eléctrica, a rixidez mecánica e a reactividad química a través do deseño molecular revela que a arquitectura a nivel atómico pode abrir portas completamente novas no campo dos futuros semiconductores, membranas de filtración e sensores.
Referencia: P. Angulo-Portugal, M. Irizar, L. Huang et ao. “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
