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Materiales bidimensionales ajustables confirman una teoría ganadora de un Premio Nobel

Se ha demostrado un teorema de hace 65 años sobre procesos químicos como la fotosíntesis, con la ayuda de estructuras de grosor atómico compuesto por nitruro de boro y grafito.

Energía

Estas heteroestructuras son pilas de láminas bidimensionales de grafeno y otros cristales. Pueden unirse a sustratos tridimensionales por las fuerzas de van der Waals (vdW) para crear nuevos materiales dotados de propiedades electroquímicas excepcionales. El proyecto 2DMAT4ENERGY, auspiciado por la Universidad de Manchester, se propuso diseñar heteroestructuras de vdW a base de materiales bidimensionales con propiedades electroquímicas ajustables: una vía prometedora para aplicaciones de energía renovable. La investigación se ha llevado a cabo con el apoyo del programa de Acciones Marie Skłodowska-Curie. «El potencial electroquímico de las vdW no ha sido explotado en su totalidad, en parte debido a que los electroquímicos utilizan raras veces los métodos empleados por los físicos especializados en el estado sólido, que han dominado el universo de los materiales bidimensionales», explica Matěj Velický, coordinador del proyecto 2DMAT4ENERGY.

La teoría de Marcus-Hush

El proyecto llevó a cabo una serie de mediciones experimentales para colmar ciertas brechas del conocimiento que todavía existen en la ciencia básica de los materiales bidimensionales. A este fin, se utilizó la litografía por haz de electrones para fabricar una heteroestructura de vdW de tunelización electrónica de nitruro de boro hexagonal y grafito. «Esto aportó pruebas experimentales de las predicciones realizadas por la teoría de Marcus-Hush, ganadora de un Premio Nobel, sobre la transferencia de electrones, que no había sido verificada hasta entonces. Ha sido todo un logro profesional y muy estimulante, ya que esta teoría es uno de los pilares de la electroquímica moderna», señala Velický. El proyecto también ha logrado un gran avance en la preparación de tejas de unos centímetros compuestas de una monocapa de disulfuro de molibdeno (MoS2) sobre sustratos de oro, unidos por las potentes fuerzas de vdW. Mediante la espectroscopia Raman, la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X y la electroquímica, el equipo demostró que las propiedades electrónicas del MoS2 pueden ajustarse de forma eficaz a través de la capa de oro subyacente. En cambio, la química de superficie del oro se ve modificada por el MoS2, cuyo grosor es subnanométrico. «Estas características pueden conducir a heteroestructuras útiles para la modificación de electrodos, el almacenamiento energético supercapacitivo y las aplicaciones de detección», añade Velický. «Esto permitiría a los dispositivos de energía renovable almacenar energía para suministrar electricidad a demanda, compensando así la naturaleza intermitente de las energías renovables, como la eólica o la solar».

Pruebas de resistencia

El aspecto más difícil del proyecto fue entender las repercusiones de los estímulos externos, como el campo eléctrico y las tensiones mecánicas, sobre las heteroestructuras. La manipulación de estas repercusiones permite a los ingenieros «ajustar» las propiedades de las heteroestructuras según las necesidades, lo cual las hace interesantes para varias aplicaciones. En los experimentos realizados, el equipo empleó la activación electroquímica de electrolitos, una forma eficaz de controlar la carga eléctrica de un material, permitiendo así modificar las propiedades ópticas y electrónicas de la heteroestructura. Se estudiaron las tensiones mecánicas mediante el diseño de un sustrato con una tensión adecuada (creado a partir de una discordancia intencional de la red entre el sustrato y los materiales bidimensionales) y mediante la curvatura del soporte en el que descansaban los materiales bidimensionales. Laboratorios de todo el mundo ya han adoptado los resultados del proyecto. Velický añade: «A largo plazo, una parte de esta investigación podría acelerar la miniaturización del almacenamiento energético y la detección a microescala y nanoescala para obtener unas tecnologías más portátiles, personalizadas y sostenibles». En la actualidad, el equipo sigue centrándose en el ajuste de materiales y sustratos bidimensionales para aplicaciones electrocatalíticas, como las reacciones de evolución de hidrógeno y de oxidación de oxígeno utilizadas en las pilas de combustible.

Palabras clave

2DMAT4ENERGY, nanoescala, grafeno, van der Waals, heteroestructura, energía renovable, electrocatalítico, Marcus-Hush, Nobel, electroquímica

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