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Cómo resolver problemas de estabilidad en nanoestructuras de grafeno

Las nanoestructuras de carbono con bordes en zigzag dotan a los materiales de excitantes propiedades electrónicas con multitud de aplicaciones, pero son vulnerables a la exposición al aire. Para resolverlo, científicos de España y la República Checa han encontrado formas de proteger la síntesis de una de estas estructuras, las nanocintas de grafeno, frente a los efectos oxidantes de la atmósfera.

Imagen de microscopía de efecto tunel (STM) y de fuerza atómica (AFM) de una nanocinta de grafeno reactiva (a la izquierda) y protegida del ataque de la atmósfera (derecha). / DIPC et al.

Para obtener nuevos materiales, en las últimas décadas se ha desarrollado una nueva estrategia denominada síntesis sobre superficie, diferente de los procesos tradicionales de química en disolución. En lugar del espacio 3D de los disolventes, en este nuevo enfoque el entorno de los reactivos son superficies sólidas bidimensionales. Así se pueden sintetizar gran variedad de estructuras moleculares que no podrían obtenerse por medios convencionales. 

Entre las estructuras que están suscitando mayor interés, se encuentran las nanoestructuras de carbono con bordes en zigzag, que dotan a los materiales de excitantes propiedades electrónicas e incluso magnéticas de potencial utilidad para una gran variedad de aplicaciones, entre las que se incluyen las tecnologías cuánticas

Con estrategias de protección-desprotección se ha logrado aumentar la estabilidad en la síntesis sobre superficie de nanoestructuras de grafeno

Sin embargo, un importante inconveniente de estos materiales es que a menudo carecen de suficiente estabilidad química para soportar la exposición al aire. Por este motivo se utilizan condiciones de vacío para hacer posible su síntesis. 

Desafortunadamente, para su implementación final en dispositivos reales, estas estructuras deben manipularse y transferirse fuera del vacío, lo que degradaría los materiales y, por lo tanto, pondría en peligro su posible utilización. Como consecuencia surge la necesidad de concebir nuevas estrategias para los procesos de fabricación de dispositivos. 

Estrategias de protección-desprotección de nanoestructuras 

En la química convencional en disolución, se suelen aplicar estrategias de protección-desprotección para superar los problemas de estabilidad. Sin embargo, quedaba por probar si estos mismos métodos químicos de protección podrían también aplicarse en la síntesis sobre superficie, y científicos de España y la República Checa lo han conseguido. 

Un equipo europeo de los centros DIPC y CFM (CSIC-UPV/EHU) en San Sebastián, CiQUS de la Universidade de Santiago de Compostela, Ikerbasque del País Vasco y CINN (CSIC-UNIOVI-PA) de El Entrego (Asturias), junto a colegas de la Academia Checa de Ciencias y la Universidad Palacký, ha aplicado con éxito estas estrategias con nanocintas de grafeno provistas de una gran densidad de bordes en zigzag. 

Se puede usar hidrógeno atómico para proteger el grafeno nanoestructurado de los efectos oxidantes de la atmósfera y, posteriormente, convertirlo a su forma original

El trabajo, publicado en Nature Chemistry, presenta dos métodos relacionados pero complementarios para aplicar la estrategia de protección-desprotección a los segmentos de borde en zigzag reactivos de nanografenos.

En concreto, han demostrado que es posible emplear hidrógeno atómico para proteger el grafeno nanoestructurado de los efectos oxidantes de la atmósfera y, posteriormente, convertir fácilmente estas nanoestructuras a su forma original mediante una deshidrogenación a través de un tratamiento térmico. 

Un enfoque alternativo les permitió convertir una forma químicamente modificada y estable al aire de las nanoestructuras de grafeno, con grupos cetona laterales, en las moléculas de interés. 

Nanoestructuras de carbono en dispositivos

“En ambos casos, las nanocintas de grafeno desprotegidas recuperan propiedades electrónicas similares a las originales”, apuntan los autores en su estudio, “y creemos que ambos enfoques pueden extenderse a otras nanocintas de grafeno y nanoestructuras basadas en el carbono” diferentes a las utilizadas en este trabajo. 

Las implicaciones de estos resultados son de largo alcance, según los investigadores. Se abren nuevas vías para concebir metodologías que permitan integrar nanoestructuras de carbono en dispositivos y, por tanto, puede llevar la explotación de las características únicas de sus bordes en zigzag un paso más cerca de aplicaciones escalables, un gran desafío científico que abarca la física, la química, la ciencia de los materiales y la ingeniería. 

Referencia:

James Lawrence et al. “Circumventing the stability problems of graphene nanoribbon zigzag edges”. Nature Chemistry, 2022

Fuente:
DIPC
Derechos: Creative Commons.
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