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Materiales de una sola capa

En la ciencia de los materiales , el término materiales monocapa o materiales 2D se refiere a sólidos cristalinos que consisten en una sola capa de átomos. Estos materiales son prometedores para algunas aplicaciones, pero siguen siendo el foco de la investigación. Los materiales monocapa derivados de elementos individuales generalmente llevan el sufijo -eno en sus nombres, p. ej., grafeno . Los materiales monocapa que son compuestos de dos o más elementos tienen sufijos -ano o -uro. Los materiales 2D generalmente se pueden clasificar como alótropos 2D de varios elementos o como compuestos (que consisten en dos o más elementos unidos covalentemente ).

Se prevé que existen cientos de materiales monocapa estables. [1] [2] La estructura atómica y las propiedades básicas calculadas de estos y muchos otros materiales monocapa potencialmente sintetizables se pueden encontrar en bases de datos computacionales. [3] Los materiales 2D se pueden producir utilizando principalmente dos enfoques: exfoliación de arriba hacia abajo y síntesis de abajo hacia arriba. Los métodos de exfoliación incluyen sonicación, exfoliación mecánica, hidrotermal, electroquímica, asistida por láser y asistida por microondas. [4]

Materiales de un solo elemento

C: grafeno y grafino

Grafeno
El grafeno es una red de átomos de carbono en forma de panal a escala atómica .

El grafeno es un alótropo cristalino del carbono en forma de una lámina de un átomo de espesor casi transparente (a la luz visible). Es cientos de veces más resistente que la mayoría de los aceros en términos de peso. [5] Tiene la conductividad térmica y eléctrica más alta conocida, con densidades de corriente 1.000.000 de veces superiores a las del cobre . [6] Se produjo por primera vez en 2004. [7]

Andre Geim y Konstantin Novoselov ganaron el Premio Nobel de Física en 2010 "por experimentos innovadores relacionados con el material bidimensional grafeno". Primero lo produjeron levantando láminas de grafeno del grafito a granel con cinta adhesiva y luego transfiriéndolas a una oblea de silicio. [8]

Grafina

El grafino es otro alótropo bidimensional del carbono cuya estructura es similar a la del grafeno. Puede verse como una red de anillos de benceno conectados por enlaces de acetileno . Dependiendo del contenido de los grupos de acetileno, el grafino puede considerarse una hibridación mixta , sp n , donde 1 < n < 2, [9] [10] en comparación con el grafeno (sp 2 puro ) y el diamante (sp 3 puro ).

Los cálculos de primer principio utilizando curvas de dispersión de fonones y simulaciones de dinámica molecular cuántica y temperatura finita ab-initio mostraron que el grafino y sus análogos de nitruro de boro son estables. [11]

La existencia del grafino se conjeturó antes de 1960. [12] En 2010, se sintetizó grafdiino (grafino con grupos diacetileno ) sobre sustratos de cobre. [13] En 2022, un equipo afirmó haber utilizado con éxito la metátesis de alquinos para sintetizar grafino, aunque esta afirmación es discutida. [14] [15] Sin embargo, después de una investigación, el artículo del equipo fue retractado por la publicación citando datos inventados. [16] [ verificación necesaria ] Más tarde, durante 2022, se realizó con éxito la síntesis de γ-grafino multicapa mediante la polimerización de 1,3,5-tribromo-2,4,6-trietinilbenceno en condiciones de acoplamiento de Sonogashira . [17] [18] Recientemente, se ha afirmado que es un competidor del grafeno debido al potencial de los conos de Dirac dependientes de la dirección . [19] [20]

B: borofeno

Un B
36El grupo podría verse como el borofeno más pequeño; vista frontal y lateral

El borofeno es una monocapa atómica cristalina de boro y también se lo conoce como lámina de boro . La teoría lo predijo por primera vez a mediados de los años 1990 en un estado independiente [21] y luego Zhang et al. lo demostraron como capas monoatómicas distintas sobre sustratos [22] . En 2015 se confirmaron experimentalmente diferentes estructuras de borofeno [23] [24].

Ge: germaneno

El germaneno es un alótropo bidimensional del germanio con una estructura de panal de abejas. [25] El germaneno sintetizado experimentalmente exhibe una estructura de panal de abejas. [26] [27] Esta estructura de panal de abejas consiste en dos subredes hexagonales que están desplazadas verticalmente 0,2 A una de la otra. [28]

Si: siliceno

Imagen STM de la primera ( 4×4 ) y segunda capa ( √3 × √3 - β ) de siliceno cultivado sobre una fina película de plata. Tamaño de la imagen 16×16 nm .

El siliceno es un alótropo bidimensional del silicio , con una estructura de panal hexagonal similar a la del grafeno. [29] [30] [31] Su crecimiento está respaldado por una aleación superficial generalizada de Si/Ag(111) debajo de la capa bidimensional. [32]

Sn: estaneno

Imagen en red de una lámina de estaneno, con el recuadro central que muestra una micrografía electrónica de gran superficie de la muestra. El recuadro derecho es un patrón de difracción de electrones que confirma la estructura hexagonal.

El estaneno es un aislante topológico predicho que puede mostrar corrientes sin disipación en sus bordes cerca de la temperatura ambiente . Está compuesto de átomos de estaño dispuestos en una sola capa, de manera similar al grafeno. [33] Su estructura pandeada conduce a una alta reactividad contra contaminantes del aire comunes como NO x y CO x y es capaz de atraparlos y disociarlos a baja temperatura. [34] Una determinación de la estructura del estaneno utilizando difracción de electrones de baja energía ha mostrado un estaneno ultraplano en una superficie de Cu(111). [35]

Pb: plumbeno

El plumbeno es un alótropo bidimensional del plomo , con una estructura de panal hexagonal similar a la del grafeno. [36]

P: fosforeno

Estructura del fosforeno: (a) vista inclinada, (b) vista lateral, (c) vista superior. Las bolas rojas (azules) representan átomos de fósforo en la capa inferior (superior).

El fosforeno es un alótropo cristalino bidimensional del fósforo . Su estructura hexagonal monoatómica lo hace conceptualmente similar al grafeno. Sin embargo, el fosforeno tiene propiedades electrónicas sustancialmente diferentes; en particular, posee un intervalo de banda distinto de cero mientras muestra una alta movilidad de electrones. [37] Esta propiedad potencialmente lo convierte en un mejor semiconductor que el grafeno. [38] La síntesis de fosforeno consiste principalmente en métodos de escisión micromecánica o exfoliación en fase líquida. El primero tiene un bajo rendimiento mientras que el segundo produce nanoláminas independientes en disolvente y no en el soporte sólido. Los enfoques de abajo hacia arriba como la deposición química de vapor (CVD) aún están en blanco debido a su alta reactividad. Por lo tanto, en el escenario actual, el método más eficaz para la fabricación de grandes áreas de películas delgadas de fosforeno consiste en técnicas de ensamblaje húmedo como Langmuir-Blodgett que implican el ensamblaje seguido de la deposición de nanoláminas en soportes sólidos. [39]

Sb: antimoneno

El antimoneno es un alótropo bidimensional del antimonio , con sus átomos dispuestos en una red de panal de abejas. Los cálculos teóricos [40] predijeron que el antimoneno sería un semiconductor estable en condiciones ambientales con un rendimiento adecuado para la (opto)electrónica. El antimoneno se aisló por primera vez en 2016 mediante exfoliación micromecánica [41] y se descubrió que era muy estable en condiciones ambientales. Sus propiedades también lo convierten en un buen candidato para aplicaciones biomédicas y energéticas. [42]

En un estudio realizado en 2018, [43] los electrodos serigrafiados modificados con antimoneno (SPE) se sometieron a una prueba de carga/descarga galvanostática utilizando un enfoque de dos electrodos para caracterizar sus propiedades supercapacitivas. La mejor configuración observada, que contenía 36 nanogramos de antimoneno en el SPE, mostró una capacitancia específica de 1578 F g −1 a una corriente de 14 A g −1 . A lo largo de 10 000 de estos ciclos galvanostáticos, los valores de retención de capacitancia caen al 65 % inicialmente después de los primeros 800 ciclos, pero luego permanecen entre el 65 % y el 63 % durante los 9200 ciclos restantes. El sistema de 36 ng antimoneno/SPE también mostró una densidad de energía de 20 mWh h kg −1 y una densidad de potencia de 4,8 kW kg −1 . Estas propiedades supercapacitivas indican que el antimoneno es un material de electrodo prometedor para sistemas de supercondensadores. Un estudio más reciente, [44] sobre los SPE modificados con antimoneno muestra la capacidad inherente de las capas de antimoneno para formar capas pasivadas electroquímicamente para facilitar las mediciones electroanalíticas en entornos oxigenados, en los que la presencia de oxígenos disueltos normalmente dificulta el procedimiento analítico. El mismo estudio también describe la producción in situ de nanocompuestos de óxido de antimoneno/PEDOT:PSS como plataformas electrocatalíticas para la determinación de compuestos nitroaromáticos.

Bi: bismuto

Se predijo que el bismuto, el alótropo bidimensional (2D) del bismuto , sería un aislante topológico. En 2015 se predijo que el bismuto conserva su fase topológica cuando se cultiva en carburo de silicio . [45] La predicción se realizó y sintetizó con éxito en 2016. [46] A primera vista, el sistema es similar al grafeno, ya que los átomos de Bi se organizan en una red de panal. Sin embargo, la banda prohibida es tan grande como 800 mV debido a la gran interacción (acoplamiento) espín-órbita de los átomos de Bi y su interacción con el sustrato. Por lo tanto, las aplicaciones a temperatura ambiente del efecto Hall de espín cuántico están al alcance. Se ha informado que es el aislante topológico 2D de banda prohibida no trivial más grande en su estado natural. [47] [48] La exfoliación de arriba hacia abajo del bismuto se ha informado en varios casos [49] [50] con trabajos recientes que promueven la implementación del bismuto en el campo de la detección electroquímica. [51] [52] Emdadul et al. [53] predijeron la resistencia mecánica y la conductividad térmica de fonones del β-bismuteno monocapa a través del análisis a escala atómica. La resistencia a la fractura a temperatura ambiente (300 K) obtenida es ~4,21 N/m a lo largo de la dirección del sillón y ~4,22 N/m a lo largo de la dirección del zigzag. A 300 K, se informa que sus módulos de Young son ~26,1 N/m y ~25,5 N/m, respectivamente, a lo largo de las direcciones del sillón y del zigzag. Además, su conductividad térmica de fonones prevista de ~1,3 W/m∙K a 300 K es considerablemente inferior a la de otros panales 2D análogos, lo que lo convierte en un material prometedor para operaciones termoeléctricas.

Au: dorado

El 16 de abril de 2024, científicos de la Universidad de Linköping en Suecia informaron que habían producido goldene , una sola capa de átomos de oro de 100 nm de ancho. Lars Hultman , un científico de materiales del equipo detrás de la nueva investigación, es citado diciendo "sostenemos que el goldene es el primer metal 2D independiente, hasta donde sabemos", lo que significa que no está unido a ningún otro material, a diferencia del plumbeno y el estaneno . Investigadores de la Universidad de Nueva York en Abu Dhabi (NYUAD) informaron anteriormente que habían sintetizado Goldene en 2022, sin embargo, varios otros científicos han sostenido que el equipo de NYUAD no pudo demostrar que fabricaron una lámina de oro de una sola capa, en lugar de una lámina de varias capas. Se espera que el goldene se utilice principalmente por sus propiedades ópticas, con aplicaciones como detección o como catalizador . [54]

Rieles

Imagen topográfica AFM 3D de nanohojas de paladio multicapa. [55]

Se han demostrado capas de un solo átomo y de dos átomos de platino en una geometría de película bidimensional. [56] [57] Estas películas de platino atómicamente delgadas se cultivan epitaxialmente sobre grafeno, [56] lo que impone una tensión de compresión que modifica la química de la superficie del platino, al mismo tiempo que permite la transferencia de carga a través del grafeno. [57] Se han sintetizado y caracterizado capas de un solo átomo de paladio con un espesor de hasta 2,6 Å, [55] y rodio con un espesor de menos de 4 Å [58] con microscopía de fuerza atómica y microscopía electrónica de transmisión.

Un titanio 2D formado mediante fabricación aditiva ( fusión de lecho de polvo láser ) logró una resistencia mayor que cualquier otro material conocido (un 50% mayor que la aleación de magnesio WE54). El material se dispuso en una red tubular con una banda delgada que corría por el interior, fusionando dos estructuras reticulares complementarias. Esto redujo a la mitad la tensión en los puntos más débiles de la estructura. [59]

Supracristales 2D

Se han propuesto y simulado teóricamente los supracristales de materiales 2D. [60] [61] Estos cristales monocapa están formados por estructuras periódicas supraatómicas en las que los átomos de los nodos de la red se sustituyen por complejos simétricos. Por ejemplo, en la estructura hexagonal del grafeno, los patrones de 4 o 6 átomos de carbono se organizarían hexagonalmente en lugar de átomos individuales, como el nodo repetitivo en la celda unitaria .

Aleaciones 2D

Las aleaciones bidimensionales (o aleaciones de superficie) son una capa atómica única de aleación que no es proporcional al sustrato subyacente. Un ejemplo son las aleaciones ordenadas en 2D de Pb con Sn y con Bi. [62] [63] Se ha descubierto que las aleaciones de superficie sirven como andamiaje de capas bidimensionales, como en el caso del siliceno . [32]

Compuestos

Dos capas apiladas alternativamente de nitruro de boro hexagonal

Monocapas de dicalcogenuros de metales de transición

El dicalcogenuro de metal de transición bidimensional (TMD) más estudiado es el disulfuro de molibdeno monocapa (MoS 2 ). Se conocen varias fases, en particular las fases 1T y 2H. La convención de nombres refleja la estructura: la fase 1T tiene una "lámina" (que consiste en una capa de S-Mo-S; ver figura) por celda unitaria en un sistema cristalino trigonal, mientras que la fase 2H tiene dos láminas por celda unitaria en un sistema cristalino hexagonal. La fase 2H es más común, ya que la fase 1T es metaestable y revierte espontáneamente a 2H sin estabilización por donantes de electrones adicionales (típicamente vacantes de S en la superficie). [67]

Estructuras de las fases 1T y 2H del disulfuro de molibdeno (MoS 2 ), vistas a lo largo del eje b. Se muestran dos capas para cada fase para ilustrar el enlace covalente, que solo está presente en láminas.

La fase 2H de MoS 2 ( símbolo de Pearson hP6; designación de Strukturbericht C7) tiene un grupo espacial P6 3 /mmc. Cada capa contiene Mo rodeado de S en coordinación prismática trigonal. [68] Por el contrario, la fase 1T (símbolo de Pearson hP3) tiene un grupo espacial P-3m1 y Mo coordinado octaédricamente; con la celda unitaria 1T que contiene solo una capa, la celda unitaria tiene un parámetro c ligeramente menor que la mitad de la longitud de la celda unitaria 2H (5,95 Å y 12,30 Å, respectivamente). [69] Las diferentes estructuras cristalinas de las dos fases también dan lugar a diferencias en su estructura de banda electrónica . Los orbitales d de 2H-MoS 2 se dividen en tres bandas: d z 2 , d x 2 -y 2 ,xy y d xz,yz . De estas, solo la d z 2 está llena; Esto combinado con la división da como resultado un material semiconductor con una banda prohibida de 1,9 eV. [70] 1T-MoS 2 , por otro lado, tiene orbitales d parcialmente llenos que le dan un carácter metálico .

Debido a que la estructura consiste en enlaces covalentes en el plano e interacciones de van der Waals entre capas , las propiedades electrónicas de los TMD monocapa son altamente anisotrópicas. Por ejemplo, la conductividad de MoS 2 en la dirección paralela a la capa plana (0,1–1 ohmio −1 cm −1 ) es ~2200 veces mayor que la conductividad perpendicular a las capas. [71] También existen diferencias entre las propiedades de una monocapa en comparación con el material a granel: la movilidad de Hall a temperatura ambiente es drásticamente menor para la monocapa 2H MoS 2 (0,1–10 cm 2 V −1 s −1 ) que para el MoS 2 a granel (100–500 cm 2 V −1 s −1 ). Esta diferencia surge principalmente debido a las trampas de carga entre la monocapa y el sustrato sobre el que se deposita. [72]

El MoS 2 tiene importantes aplicaciones en la (electro)catálisis. Al igual que con otros materiales bidimensionales, las propiedades pueden depender en gran medida de la geometría; la superficie del MoS 2 es catalíticamente inactiva, pero los bordes pueden actuar como sitios activos para catalizar reacciones. [73] Por esta razón, la ingeniería y fabricación de dispositivos puede implicar consideraciones para maximizar el área de superficie catalítica, por ejemplo, utilizando nanopartículas pequeñas en lugar de láminas grandes [73] o depositando las láminas verticalmente en lugar de horizontalmente. [74] La eficiencia catalítica también depende en gran medida de la fase: las propiedades electrónicas mencionadas anteriormente del 2H MoS 2 lo convierten en un candidato deficiente para aplicaciones de catálisis, pero estos problemas se pueden evitar mediante una transición a la fase metálica (1T). La fase 1T tiene propiedades más adecuadas, con una densidad de corriente de 10 mA/cm 2 , un sobrepotencial de −187 mV en relación con RHE y una pendiente de Tafel de 43 mV/década (en comparación con 94 mV/década para la fase 2H). [75] [76]

Grafano

Grafano

Mientras que el grafeno tiene una estructura reticular hexagonal en forma de panal con dobles enlaces alternados que emergen de sus carbonos sp2-enlazados, el grafano, que aún mantiene la estructura hexagonal, es la versión completamente hidrogenada del grafeno con cada carbono sp3 - hibridado unido a un hidrógeno (fórmula química de (CH) n ). Además, mientras que el grafeno es plano debido a su naturaleza de doble enlace, el grafano es robusto, con los hexágonos adoptando diferentes conformadores estructurales fuera del plano como la silla o el barco, para permitir los ángulos ideales de 109,5° que reducen la tensión del anillo, en una analogía directa con los conformadores del ciclohexano. [77]

El grafano fue teorizado por primera vez en 2003, [78] se demostró que era estable utilizando cálculos de energía de primeros principios en 2007, [79] y se sintetizó experimentalmente por primera vez en 2009. [80] Hay varias rutas experimentales disponibles para hacer grafano, incluidos los enfoques de arriba hacia abajo de reducción de grafito en solución o hidrogenación de grafito utilizando plasma/gas hidrógeno, así como el enfoque de abajo hacia arriba de deposición química de vapor. [77] El grafano es un aislante, con un intervalo de banda previsto de 3,5 eV; [81] sin embargo, el grafeno parcialmente hidrogenado es un semiconductor, y el intervalo de banda está controlado por el grado de hidrogenación. [77]

Germana

El germanano es un cristal monocapa compuesto de germanio con un hidrógeno unido en la dirección z para cada átomo. [82] [83] La estructura del germanano es similar al grafano , el germanio a granel no adopta esta estructura. El germanano se produce en una ruta de dos pasos comenzando con germanuro de calcio. De este material, el calcio (Ca) se elimina por desintercalación con HCl para dar un sólido en capas con la fórmula empírica GeH. [84] Los sitios de Ca en CaGe 2 en fase Zintl se intercambian con los átomos de hidrógeno en la solución de HCl, produciendo GeH y CaCl 2 .

SLSiN

SLSiN (acrónimo de Single- Layer Si licon Nitride ) , un nuevo material 2D introducido como el primer miembro post-grafeno de Si 3 N 4 , fue descubierto por primera vez computacionalmente en 2020 a través de simulaciones basadas en la teoría funcional de la densidad. [ 85] Este nuevo material es inherentemente 2D, aislante con un intervalo de banda de aproximadamente 4 eV y estable tanto termodinámicamente como en términos de dinámica reticular.

Aleación de superficies combinadas

A menudo, los materiales de una sola capa, específicamente los alótropos elementales, se conectan al sustrato de soporte a través de aleaciones superficiales. [32] [33] Hasta ahora, este fenómeno se ha demostrado a través de una combinación de diferentes técnicas de medición para siliceno, [32] para el cual la aleación es difícil de probar con una sola técnica y, por lo tanto, no se ha esperado durante mucho tiempo. Por lo tanto, tales aleaciones de superficie de andamiaje debajo de materiales bidimensionales también se pueden esperar debajo de otros materiales bidimensionales, lo que influye significativamente en las propiedades de la capa bidimensional. Durante el crecimiento, la aleación actúa como base y andamiaje para la capa bidimensional, para la que allana el camino. [32]

Orgánico

El Ni 3 (HITP) 2 es un conductor eléctrico orgánico, cristalino, estructuralmente ajustable con una gran área superficial. El HITP es un compuesto químico orgánico (2,3,6,7,10,11-hexaamino trifenileno ). Comparte la estructura de panal hexagonal del grafeno . Las capas múltiples forman naturalmente pilas perfectamente alineadas, con aberturas idénticas de 2 nm en los centros de los hexágonos. La conductividad eléctrica a temperatura ambiente es de ~40  S  cm −1 , comparable a la del grafito a granel y entre las más altas para cualquier estructura metalorgánica conductora (MOF). La dependencia de la temperatura de su conductividad es lineal a temperaturas entre 100 K y 500 K, lo que sugiere un mecanismo de transporte de carga inusual que no se ha observado anteriormente en semiconductores orgánicos . [86]

Se afirmó que el material era el primero de un grupo formado por intercambio de metales y/o compuestos orgánicos. El material puede aislarse como un polvo o una película con valores de conductividad de 2 y 40 S cm −1 , respectivamente. [87]

Polímero

Utilizando melamina (estructura de anillo de carbono y nitrógeno) como monómero , los investigadores crearon 2DPA-1, una lámina de polímero bidimensional unida por enlaces de hidrógeno . La lámina se forma espontáneamente en solución, lo que permite que se puedan recubrir por centrifugación películas delgadas. El polímero tiene un límite elástico que es el doble del del acero y resiste seis veces más fuerza de deformación que el vidrio a prueba de balas . Es impermeable a gases y líquidos. [88] [89]

Combinaciones

Las capas individuales de materiales 2D se pueden combinar para formar conjuntos en capas. Por ejemplo, el grafeno bicapa es un material que consta de dos capas de grafeno . Uno de los primeros informes sobre el grafeno bicapa se publicó en el influyente artículo de 2004 de la revista Science de Geim y sus colegas, en el que describieron dispositivos "que contenían solo una, dos o tres capas atómicas". Las combinaciones en capas de diferentes materiales 2D se denominan generalmente heteroestructuras de van der Waals . La twistrónica es el estudio de cómo el ángulo (la torsión) entre capas de materiales bidimensionales puede cambiar sus propiedades eléctricas.

Caracterización

Las técnicas de microscopía como la microscopía electrónica de transmisión , [90] [91] [92] difracción de electrones 3D , [93] microscopía de sonda de barrido , [94] microscopio de efecto túnel de barrido , [90] y microscopía de fuerza atómica [90] [92] [94] se utilizan para caracterizar el espesor y el tamaño de los materiales 2D. Las propiedades eléctricas y estructurales como la composición y los defectos se caracterizan mediante espectroscopia Raman , [90] [92] [94] difracción de rayos X , [90] [92] y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X. [95]

Caracterización mecánica

La caracterización mecánica de los materiales 2D es difícil debido a la reactividad ambiental y las limitaciones del sustrato presentes en muchos materiales 2D. Con este fin, muchas propiedades mecánicas se calculan utilizando simulaciones de dinámica molecular o simulaciones de mecánica molecular . La caracterización mecánica experimental es posible en materiales 2D que pueden sobrevivir a las condiciones de la configuración experimental, así como que pueden depositarse en sustratos adecuados o existir en una forma independiente. Muchos materiales 2D también poseen una deformación fuera del plano que complica aún más las mediciones. [96]

Las pruebas de nanoindentación se utilizan comúnmente para medir experimentalmente el módulo elástico , la dureza y la resistencia a la fractura de materiales 2D. A partir de estos valores medidos directamente, existen modelos que permiten la estimación de la tenacidad a la fractura , el exponente de endurecimiento por deformación , la tensión residual y la resistencia a la fluencia . Estos experimentos se realizan utilizando un equipo de nanoindentación dedicado o un microscopio de fuerza atómica (AFM). Los experimentos de nanoindentación generalmente se realizan con el material 2D como una tira lineal sujetada en ambos extremos que experimenta la indentación por una cuña, o con el material 2D como una membrana circular sujeta alrededor de la circunferencia que experimenta la indentación por una punta curvada en el centro. La geometría de la tira es difícil de preparar, pero permite un análisis más fácil debido a los campos de tensión lineales resultantes. La geometría circular similar a un tambor se usa más comúnmente y se puede preparar fácilmente exfoliando muestras sobre un sustrato estampado. La tensión aplicada a la película en el proceso de sujeción se conoce como tensión residual. En el caso de capas muy delgadas de materiales 2D, la tensión de flexión generalmente se ignora en las mediciones de indentación, y la tensión de flexión se vuelve relevante en muestras multicapa. Los valores del módulo elástico y la tensión residual se pueden extraer determinando las partes lineal y cúbica de la curva experimental de fuerza-desplazamiento. La tensión de fractura de la lámina 2D se extrae de la tensión aplicada en la falla de la muestra. Se encontró que el tamaño de la punta del AFM tenía poco efecto en la medición de la propiedad elástica, pero se encontró que la fuerza de rotura tenía una fuerte dependencia del tamaño de la punta debido a la concentración de tensión en el vértice de la punta. [97] Usando estas técnicas, se encontró que el módulo elástico y la resistencia al límite elástico del grafeno eran 342 N/m y 55 N/m respectivamente. [97]

Las mediciones del coeficiente de Poisson en materiales 2D son generalmente sencillas. Para obtener un valor, se coloca una lámina 2D bajo tensión y se miden las respuestas de desplazamiento, o se realiza un cálculo de MD. Se ha descubierto que las estructuras únicas encontradas en materiales 2D dan como resultado un comportamiento auxético en el fosforeno [98] y el grafeno [99] y un coeficiente de Poisson de cero en el borofeno de red triangular. [100]  

Las mediciones del módulo de corte del grafeno se han extraído midiendo un cambio de frecuencia de resonancia en un experimento de oscilador de doble paleta, así como con simulaciones MD. [101] [102]

La tenacidad a la fractura de materiales 2D en Modo I (K IC ) se ha medido directamente estirando capas pre-agrietadas y monitoreando la propagación de grietas en tiempo real. [103] Las simulaciones MD así como las simulaciones de mecánica molecular también se han utilizado para calcular la tenacidad a la fractura en Modo I. En materiales anisotrópicos, como el fosforeno, se encontró que la propagación de grietas ocurre preferentemente a lo largo de ciertas direcciones. [104] Se encontró que la mayoría de los materiales 2D sufren fractura frágil.

Aplicaciones

La principal expectativa entre los investigadores es que, dadas sus propiedades excepcionales, los materiales 2D reemplazarán a los semiconductores convencionales para dar lugar a una nueva generación de electrónica.

Aplicaciones biológicas

La investigación sobre nanomateriales 2D todavía está en sus inicios, y la mayoría de las investigaciones se centran en dilucidar las características únicas de los materiales y pocos informes se centran en las aplicaciones biomédicas de los nanomateriales 2D . [105] Sin embargo, los recientes avances rápidos en nanomateriales 2D han planteado preguntas importantes pero apasionantes sobre sus interacciones con fracciones biológicas . Las nanopartículas 2D, como los materiales 2D basados ​​en carbono, las arcillas de silicato, los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) y los óxidos de metales de transición (TMO) proporcionan una funcionalidad física, química y biológica mejorada debido a sus formas uniformes, altas relaciones superficie-volumen y carga superficial.

Los nanomateriales bidimensionales (2D) son nanomateriales ultrafinos con un alto grado de anisotropía y funcionalidad química . [106] Los nanomateriales 2D son muy diversos en términos de sus propiedades mecánicas , químicas y ópticas , así como en tamaño, forma, biocompatibilidad y degradabilidad. [107] [108] Estas diversas propiedades hacen que los nanomateriales 2D sean adecuados para una amplia gama de aplicaciones, incluida la administración de fármacos , la obtención de imágenes , la ingeniería de tejidos , los biosensores y los sensores de gas , entre otros. [109] [110] Sin embargo, su nanoestructura de baja dimensión les da algunas características comunes. Por ejemplo, los nanomateriales 2D son los materiales más delgados conocidos, lo que significa que también poseen las áreas de superficie específicas más altas de todos los materiales conocidos. Esta característica hace que estos materiales sean invaluables para aplicaciones que requieren altos niveles de interacciones superficiales a pequeña escala. Como resultado, los nanomateriales 2D se están explorando para su uso en sistemas de administración de fármacos , donde pueden adsorber grandes cantidades de moléculas de fármacos y permitir un control superior sobre la cinética de liberación. [111] Además, sus excepcionales relaciones de área superficial a volumen y sus valores de módulo típicamente altos los hacen útiles para mejorar las propiedades mecánicas de los nanocompuestos biomédicos y los hidrogeles nanocompuestos , incluso a bajas concentraciones. Su extrema delgadez ha sido fundamental para los avances en biodetección y secuenciación genética . Además, la delgadez de estas moléculas les permite responder rápidamente a señales externas como la luz, lo que ha llevado a su utilidad en terapias ópticas de todo tipo, incluidas aplicaciones de imágenes, terapia fototérmica (PTT) y terapia fotodinámica (PDT).

A pesar del rápido ritmo de desarrollo en el campo de los nanomateriales 2D, estos materiales deben evaluarse cuidadosamente en cuanto a biocompatibilidad para que sean relevantes para aplicaciones biomédicas . [112] La novedad de esta clase de materiales significa que incluso los materiales 2D relativamente bien establecidos como el grafeno son poco comprendidos en términos de sus interacciones fisiológicas con los tejidos vivos . Además, las complejidades del tamaño y la forma variables de las partículas, las impurezas de la fabricación y las interacciones proteicas e inmunológicas han dado lugar a un mosaico de conocimientos sobre la biocompatibilidad de estos materiales.

Véase también

Referencias

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Lectura adicional