TECNOLOGÍAS: Tecnología de materiales

La ingeniería de isótopos ayuda a estudiar las fuerzas de Van der Waals

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Investigadores del Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera (CSIC) y científicos franceses han comparado las propiedades físicas de un cristal, el nitruro de boro hexagonal, según esté integrado por isótopos puros de boro-10 o boro-11. De esta forma se ha observado por primera vez cómo el cambio de un isótopo influye sobre los enlaces de van der Waals, fuerzas residuales que se establecen entre las capas atómicas.

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SINC | | 22 febrero 2018 12:00

<p>Representación esquemática de los movimientos atómicos en el modo de vibración de más baja frecuencia del nitruro de boro hexagonal (h-BN), correspondiente al deslizamiento interplanar. La frecuencia de este modo viene primordialmente determinada por las débiles fuerzas de van der Waals entre los planos con estructura de panal hexagonal. La distribución de isótopos de boro mostrada corresponde al cristal de composición isotópica natural. El prisma romboidal indica la celda unidad del cristal de BN hexagonal. / Ramon Cuscó/Lluis Artús</p>

Representación esquemática de los movimientos atómicos en el modo de vibración de más baja frecuencia del nitruro de boro hexagonal (h-BN), correspondiente al deslizamiento interplanar. La frecuencia de este modo viene primordialmente determinada por las débiles fuerzas de van der Waals entre los planos con estructura de panal hexagonal. La distribución de isótopos de boro mostrada corresponde al cristal de composición isotópica natural. El prisma romboidal indica la celda unidad del cristal de BN hexagonal. / Ramon Cuscó/Lluis Artús

Las fuerzas de van der Waals, llamadas así por el físico holandés Johannes Diderik van der Waals, son interacciones dependientes de la distancia entre átomos o moléculas. Estas fuerzas controlan las interacciones a muy corto alcance en numerosos sistemas físicos y son las responsables de la cohesión entre las  láminas que conforman materiales  2D como el grafito o los dicalcogenuros de metales de transición.

Ahora, un equipo de científicos europeos han observado cómo se modifican los enlaces de van der Waals entre capas atómicas en unos cristales isotópicamente puros de nitruro de boro (h-BN). 

En concreto, han comprobado la variación de estos enlaces dentro del h-BN en dos tipos de cristales compuestos por isótopos puros: boro-10 (10B) y boro-11 (11B). El trabajo, liderado por investigadores del Laboratorio Charles Coulomb de la Universidad de Montpellier (Francia) y en el que han participado los investigadores Lluis Artús y Ramon Cuscó del Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera (ICTJA-CSIC), se ha publicado en la revista Nature Materials.

El h-BN es un compuesto laminar, en el cual los átomos de nitrógeno (N) y boro (B) forman enlaces covalentes y se distribuyen a lo largo de un mismo plano formando panales hexagonales. El compuesto se forma a partir de la superposición de estas capas que están enlazadas por las fuerzas de van der Waals.

Es la primera vez que se observa la influencia que tiene el cambio de un isótopo sobre este enlaces de van der Waals

En la estructura atómica de los cristales de nitruro de boro 'común', un 20% de los átomos de Boro que la componen pertenecen al isótopo 10 (10B) y el 80% restante al isótopo 11 (11B). En esta ocasión, los autores del estudio han sido capaces de hacer crecer dos clases de cristales de h-BN con una composición de isótopos de boro pura: los cristales de un tipo estaban compuestos por isótopos de 11B  y los del otro tipo por 10B.

Una vez crecidos los cristales, los investigadores han caracterizado los dos tipos cristales isotópicamente puros mediante varias técnicas: espectropía raman, fotoluminiscencia y difracción de rayos X, comparándolos de forma sistemática con la muestra de h-BN estándar. Los investigadores han estudiado la vibración de las redes atómicas del compuesto sometido a diferentes temperaturas en un intervalo comprendido entre  -269ºC y 325ºC.

El distinto comportamiento de las dos variantes isotópicamente puras de h-BN al variar la temperatura puede explicarse, según el estudio, asumiendo que los enlaces entre capas tipo van der Waals varían al modificarse el isótopo catiónico. Medidas de fotoluminiscencia realizadas a muy baja temperatura han permitido observar también una variación del gap o 'hueco' del compuesto al cambiar el isótopo.

Difracción de rayos X con muy alta resolución 

Asimismo, los investigadores han realizado estudios de difracción de rayos X con muy alta resolución por medio de los cuales han detectado variaciones en la distribución de las densidades electrónicas alrededor de los núcleos del átomo de boro en función de la variante isotópica (10B o 11B), lo que corrobora según los autores la modificación de las fuerzas de Van der Waals. 

El nitruro de boro hexagonal es un componente excelente para disipar el calor a través de sus capas en dispositivos basados también en grafeno

“Es la primera vez que se observa la influencia que tiene el cambio de un isótopo sobre este tipo de enlaces" explica el investigador del ICTJA-CSIC y coautor del estudio Lluís Artús y añade que “los estudios experimentales realizados nos inducen a pensar que el hecho de haber cambiado el isótopo ha modificado también las fuerzas de van der Waals entre las distintas capas atómicas del compuesto, un comportamiento que puede ser extensible a otros materiales con estructura laminar”.

Según Artús, “este trabajo abre nuevas vías de investigación para la comprensión teórica de las interacciones de van der Waals y la influencia de su naturaleza no local en la fabricación de heteroestructuras, pudiéndose plantear en un futuro la realización de modificaciones 'a la carta' de las interacciones entre capas a partir de combinaciones isotópicas en los compuestos con estructura laminar, actualmente uno de los objetos prioritarios de investigación en el campo de los nuevos materiales”.

El h-BN, material aislante con un parámetro de red cristalina similar al del grafeno, posee una conductividad térmica muy superior, lo que hace del h-BN un excelente componente para disipar el calor a través de sus capas en dispositivos basados en heteroestructuras que también tienen grafeno. Se prevé que la conductividad térmica aumente substancialmente en láminas de este material isotópicamente puras, lo que favorecería aún más esa disipación calorífica.

Aplicaciones en tratamientos contra el cáncer

Este nitruro posee también importantes aplicaciones en energía nuclear, habiéndose observado que los detectores de neutrones de h-BN isotópicamente puros construidos a partir del isótopo 10B poseen la mayor eficiencia conocida hasta actualidad. Por otra parte, nanotubos de h-BN están ya siendo utilizados para aplicaciones en tratamientos anticancerígenos.

Lluis Artús y Ramon Cuscó han colaborado en el estudio con investigadores del Laboratoire Charles Coulomb (L2C) y el  Instituto Europeo de Membranas, ambos de la Universidad de Montpellier, y del departamento de Ingeniería Química de la Universidad Estatal de Kansas, en Estados Unidos.

Referencia bibliográfica:

Vuong, T. Q. P., S. Liu, A. Van der Lee, R. Cuscó, L. Artús, T. Michel, P. Valvin, J. H. Edgar, G. Cassabois, and B. Gil (2017). "Isotope engineering of van der Waals interactions in hexagonal boron nitride". Nature Materials, 17, 152, doi: 10.1038/nmat5048 https://www.nature.com/articles/nmat5048

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Zona geográfica: España
Fuente: Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera del CSIC (ICTJA-CSIC)

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