Borofeno:un nuevo capítulo en el desarrollo de materiales 2D

Sintetizado por primera vez en 2015, el borofeno, una hoja de boro 2D cristalina anatómicamente delgada, ya ha captado la atención de científicos de todo el mundo. Descrito como "el nuevo material maravilloso" debido a su flexibilidad anisotrópica y metalicidad únicas, tiene el potencial de revolucionar las baterías, los sensores y la química catalítica. Este artículo resume la síntesis, las propiedades y las posibles aplicaciones del borofeno.

Síntesis y Propiedades

Mientras el grafeno toma una sola forma, el borofeno es un polimorfo, que puede tener muchas configuraciones de red. En teoría, puede haber más de 1000 formas de borofeno, cada una con características diferentes. El borofeno fue sintetizado por primera vez por un grupo internacional de científicos en condiciones de ultra alto vacío utilizando una fuente atómica de boro sólido. Se usó un sustrato de plata limpiado atómicamente para proporcionar una superficie inerte y bien definida para el crecimiento de borofeno. In situ la caracterización electrónica apoyó las predicciones teóricas de que el polimorfo de borofeno que habían fabricado con éxito era metálico y formaba estructuras planas con corrugación anisotrópica. Su estructura ondulada se atribuyó más tarde a la muy pequeña rigidez a la flexión del borofeno (es decir, el momento requerido para producir la rotación de la unidad) y su reactividad hacia la plata. Los autores demostraron que tanto las propiedades electrónicas como las mecánicas del borofeno producido eran altamente anisotrópicas.

Desde su descubrimiento inicial, se han realizado numerosos estudios sobre la superconductividad, mecánica, electrónica y propiedades ópticas de diferentes polimorfos de borofeno. El borofeno ahora se ha fabricado utilizando varios sustratos diferentes, incluidos oro, cobre y aluminio. Un avance significativo se produjo en 2019 cuando se sintetizó borofeno independiente por primera vez mediante un proceso escalable.

El borofeno es fuerte, flexible y transparente . Es un buen conductor tanto del calor como de la electricidad, y también es superconductor. Según algunas predicciones computacionales, el borofeno puede pasar a la superconductividad a temperaturas más altas que el grafeno. Los cálculos de primer principio han indicado que la temperatura de transición superconductora puede ser tan alta como 24,7 K para algunos polimorfos de borofeno, que es mucho más alta que los 8,1 K pronosticados computacionalmente y los 7,4 K observados experimentalmente en el grafeno. La anisotropía en sus propiedades mecánicas y eléctricas lo hace sintonizable, que es una de las razones por las que los científicos e ingenieros están entusiasmados con sus posibles aplicaciones. Comprender cómo caracterizar y controlar la estructura atómica del borofeno será crucial para la incorporación de borofeno con las propiedades deseadas en los productos.

Si bien muchos investigadores están entusiasmados con las propiedades únicas del borofeno, existen importantes barreras para la comercialización de este material. En primer lugar, el borofeno tiene una reactividad química relativamente alta y, por lo tanto, puede ser difícil de manipular a temperatura ambiente. Sigue siendo relativamente difícil de fabricar incluso en pequeñas cantidades. Como muchos materiales 2D, el borofeno es propenso a la oxidación. Esto generalmente se considera desventajoso, sin embargo, la oxidación se puede utilizar para mejorar la estabilidad de la estructura y adaptar sus propiedades.

Aplicaciones del Borofeno

Ya está surgiendo una amplia gama de aplicaciones que aprovechan las propiedades únicas del borofeno, por ejemplo:

Electrónica flexible: Los materiales 2D pueden permitir el desarrollo de dispositivos electrónicos híbridos reducidos diseñados para aprovechar sus cualidades superiores. Los investigadores creen que la estructura ondulante inusual del borofeno le conferiría una alta capacidad de estiramiento si el borofeno se transfiriera a un sustrato elastomérico. En otras palabras, es posible fabricar dispositivos con borofeno que se puedan deformar y luego volver a su forma original. Dado que el borofeno es conductor, puede resultar muy adecuado para dispositivos electrónicos flexibles. Uno de los desafíos clave que enfrentan los investigadores es que, al igual que muchos materiales 2D, el borofeno es muy sensible al entorno externo y, hasta la fecha, no ha mostrado estabilidad ni confiabilidad a largo plazo cuando se utiliza en dispositivos electrónicos. Actualmente, los investigadores están desarrollando nuevas técnicas de imagen para capturar el movimiento de átomos individuales en materiales 2D para comprender los posibles modos de falla en los dispositivos electrónicos.

Electrodos de batería: Las baterías de iones de litio se han vuelto omnipresentes en los dispositivos electrónicos debido a su alta densidad de potencia y su larga vida útil. En los últimos años, las baterías de iones de sodio también se han vuelto cada vez más comunes debido a su bajo costo operativo y su alta seguridad operativa. La morfología única de los materiales 2D permite una rápida difusión de iones y los convierte en candidatos adecuados para su uso como electrodos. El borofeno es un material de electrodo muy prometedor para baterías de iones de litio y de iones de sodio debido a su alta capacidad de almacenamiento que da como resultado una densidad de potencia y un rendimiento electroquímico extremadamente altos. Un estudio reciente informó que la capacidad de almacenamiento del borofeno es la más alta de todos los materiales 2D investigados hasta la fecha.

Catálisis: Los materiales 2D son muy prometedores para su uso como catalizadores debido a sus propiedades únicas, que incluyen grandes áreas de superficie y nuevos estados electrónicos. El borofeno se puede utilizar como catalizador en la evolución de hidrógeno, la reducción de oxígeno y la reducción electroquímica de dióxido de carbono. La reducción electroquímica de dióxido de carbono, en particular, tiene un enorme potencial para contribuir a los esfuerzos para abordar el cambio climático. Sin embargo, el progreso ha sido lento como consecuencia de la falta de catalizadores estables y eficientes.

Almacenamiento de hidrógeno: El hidrógeno tiene la mayor energía por masa de cualquier combustible. En los últimos años, la investigación sobre los sistemas de almacenamiento de hidrógeno se ha vuelto cada vez más frecuente, impulsada por la demanda de almacenamiento de energía y el avance de las tecnologías de hidrógeno y celdas de combustible. Se ha demostrado que el borofeno tiene una impresionante capacidad de almacenamiento de hidrógeno, en parte debido a la baja masa de los átomos de boro. La energía de unión del hidrógeno molecular a la hoja de boro es más fuerte que la del grafeno.

Sensores de gas: Las propiedades de adsorción de gases del borofeno lo hacen adecuado en aplicaciones de detección de gases para diferentes gases, incluidos etanol, monóxido de carbono, fosgeno y formaldehído. Los materiales 2D han demostrado un potencial significativo para el desarrollo de sensores de gas debido a sus estructuras electrónicas únicas y sus grandes proporciones de área de superficie a volumen.

Conclusiones

La El desarrollo de materiales 2D es una de las fronteras más emocionantes en la investigación de materiales en la actualidad. La síntesis de borofeno guiada por computadora, poco más de una década después de la síntesis de grafeno, puede considerarse como un modelo para el desarrollo de nuevos materiales 2D. Siguen existiendo importantes desafíos técnicos en el desarrollo del borofeno, por ejemplo, la ampliación de los procesos de fabricación; sin embargo, es probable que sus cualidades únicas y sin precedentes revelen nuevos horizontes en electrónica flexible, baterías y tecnología de sensores.