Materiales bidimensionales

Los materiales bidimensionales son sólidos cristalinos de solo uno o unos pocos átomos de espesor, aislados de cristales madre en capas, cuyo confinamiento a un solo plano les confiere propiedades electrónicas, ópticas y químicas no disponibles en su forma masiva.

Definition

Un material bidimensional es una lámina de un sólido cristalino de una o unas pocas capas atómicas de espesor, derivada de un material madre en capas en el que la fuerte unión en el plano coexiste con fuerzas interlaminares débiles, de modo que las capas individuales pueden separarse y comportarse como un material distinto y confinado.

Scope

Este tema abarca la química de láminas atómicamente delgadas: el grafeno como arquetipo, los dicalcogenuros de metales de transición semiconductores como el disulfuro de molibdeno, el nitruro de boro hexagonal y familias emergentes como los MXenes. Se aborda cómo se obtienen dichas láminas —exfoliación mecánica y en fase líquida de cristales en capas y crecimiento ascendente—, su química de superficie y de borde, y los cambios de propiedades, como la aparición de una banda prohibida directa al adelgazar, que produce el confinamiento a dos dimensiones.

Core questions

• ¿Cómo se aíslan las capas atómicas individuales de los cristales madre en capas?
• ¿Cómo cambian las propiedades cuando un material en capas se adelgaza a una sola capa?
• ¿Cuál es la química de la superficie y del borde de las láminas bidimensionales?
• Más allá del grafeno, ¿qué familias de materiales bidimensionales existen?

Key concepts

• Grafeno
• Dicalcogenuros de metales de transición
• Apilamiento de van der Waals
• Exfoliación mecánica y en fase líquida
• Cruce de banda prohibida en monocapa
• Funcionalización de borde y superficie

Key theories

Exfoliación de cristales en capas

Los sólidos en capas se mantienen unidos en el plano por enlaces fuertes, pero entre capas por fuerzas débiles de van der Waals, por lo que las láminas individuales pueden desprenderse mecánicamente o separarse en líquidos mediante intercalación y sonicación para obtener escamas bidimensionales.

Confinamiento dimensional y propiedades emergentes

Reducir un cristal en capas a una sola lámina confina los electrones a un plano, produciendo propiedades ausentes en el material masivo —el transporte de portadores sin masa del grafeno y el cruce de banda prohibida indirecta a directa que se observa cuando los dicalcogenuros de metales de transición se adelgazan a una monocapa—.

Mechanisms

En la exfoliación líquida, las moléculas de disolvente o intercalantes penetran entre las capas y reducen la atracción interlaminar, de modo que la agitación separa las láminas individuales; la funcionalización química ocurre preferentemente en los bordes reactivos y en los sitios de defectos, donde los enlaces colgantes son más accesibles.

Clinical relevance

Los materiales bidimensionales se estudian para la electrónica de alta movilidad y flexible, conductores transparentes, sensores con muy alta sensibilidad superficial, electrocatalizadores para la evolución de hidrógeno y membranas selectivas, con la elección del material determinada por si se requiere un conductor, un semiconductor o un aislante.

History

El aislamiento en 2004 de grafeno monocapa por Novoselov y Geim, quienes utilizaron cinta adhesiva para escindir el grafito, demostró que podía existir un cristal atómicamente delgado y estable, lo que impulsó el campo. El trabajo posterior extendió la exfoliación a muchos otros compuestos en capas y desarrolló rutas escalables en fase líquida, estableciendo los materiales bidimensionales como una familia amplia.

Key figures

• Andre Geim
• Konstantin Novoselov
• Jonathan Coleman

Seminal works

• novoselov2004
• geim2007
• nicolosi2013

Frequently asked questions

¿Qué diferencia al grafeno del grafito?

El grafito es una pila de muchas capas de grafeno unidas por fuerzas débiles de van der Waals. Una sola capa aislada —el grafeno— confina sus electrones a dos dimensiones, lo que le confiere propiedades distintivas, como una movilidad de portadores extremadamente alta que la pila tridimensional no presenta.

¿Por qué el disulfuro de molibdeno se convierte en un mejor emisor de luz como monocapa?

En su forma masiva, el disulfuro de molibdeno tiene una banda prohibida indirecta, lo que hace que la emisión de luz sea ineficiente. Cuando se adelgaza a una sola capa, el confinamiento cambia la estructura de bandas de modo que la banda prohibida se vuelve directa, lo que permite una absorción y emisión de luz eficientes.