Borofeno: desbloqueando el potencial del boro 2D para baterías y sensores de próxima generación

Sintetizado por primera vez en 2015, el borofeno, una lámina cristalina de boro 2D anatómicamente delgada, ya ha captado la atención de científicos a nivel global. Descrito como 'el nuevo material maravilla' debido a su flexibilidad anisotrópica única y metallicidad, tiene el potencial de revolucionar baterías, sensores y química catalítica. Este artículo resume la síntesis, propiedades y aplicaciones potenciales del borofeno.

Síntesis y propiedades

Mientras que el grafeno adopta una sola forma, el borofeno es un polimorfo, que puede tener muchas configuraciones de red. Teóricamente, puede haber más de 1000 formas de borofeno, cada una con diferentes características. El borofeno fue sintetizado por primera vez por un grupo internacional de científicos bajo condiciones de ultrahigh vacuum usando una fuente atómica de boro sólido. Un sustrato de plata limpiado atómicamente se utilizó para proporcionar una superficie bien definida e inerte para el crecimiento del borofeno. La caracterización electrónica in situ respaldó 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 posteriormente a la rigidez de flexión muy pequeña del borofeno (es decir, el momento requerido para producir rotación unitaria) y su reactividad hacia la plata. Los autores demostraron que tanto las propiedades electrónicas como mecánicas del borofeno producido eran altamente anisotrópicas.

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

El borofeno es fuerte, flexible y transparente. Es un buen conductor tanto de calor como de electricidad, y también superconduce. Según algunas predicciones computacionales, el borofeno puede transicionar a superconductividad a temperaturas más altas que el grafeno. Cálculos de primeros principios han indicado que la temperatura de transición superconducida puede ser tan alta como 24,7 K para algunos polimorfos de borofeno, lo cual es mucho más alto que los 8,1 K predichos computacionalmente y los 7,4 K observados experimentalmente en el grafeno. La anisotropía en sus propiedades mecánicas y eléctricas lo hace ajustable, lo cual está entre las razones por las que científicos e ingenieros están entusiasmados con sus aplicaciones potenciales. Comprender cómo caracterizar y controlar la estructura atómica del borofeno será crucial para la incorporación del borofeno con las propiedades deseadas en productos.

Si bien muchos investigadores están entusiasmados con las propiedades únicas del borofeno, existen barreras significativas 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 temperaturas 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 puede usarse para mejorar la estabilidad de la estructura y adaptar sus propiedades.

Aplicaciones del borofeno

Una amplia gama de aplicaciones que aprovechan las propiedades únicas del borofeno ya están surgiendo, 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 inusual estructura ondulada del borofeno conferiría alta elasticidad si el borofeno se transfiriera a un sustrato elastomérico. En otras palabras, puede ser posible fabricar dispositivos usando borofeno que puedan deformarse y luego volver a su forma original. Dado que el borofeno es conductor, puede resultar altamente adecuado para dispositivos electrónicos flexibles. Uno de los principales desafíos que enfrentan los investigadores es que, como muchos materiales 2D, el borofeno es altamente sensible al entorno externo y, hasta la fecha, no ha mostrado estabilidad y fiabilidad a largo plazo cuando se utiliza en dispositivos electrónicos. Los investigadores están desarrollando actualmente nuevas técnicas de imagen para capturar el movimiento de átomos individuales en materiales 2D con el fin de comprender los posibles modos de fallo en dispositivos electrónicos.

Electrodos de batería: Las baterías de iones de litio se han vuelto ubicuas en dispositivos electrónicos debido a su alta densidad de potencia y larga vida útil. En años recientes, las baterías de iones de sodio también se han vuelto cada vez más comunes debido a su bajo costo operativo y alta seguridad operativa. La morfología única de los materiales 2D permite una difusión iónica rápida y los convierte en candidatos adecuados para usar como electrodos. El borofeno es un material de electrodo altamente prometedor para baterías de iones de litio y sodio debido a su alta capacidad de almacenamiento, resultando en una densidad de potencia extremadamente alta y rendimiento electroquímico. 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 muestran gran promesa para su uso como catalizadores debido a sus propiedades únicas, incluyendo grandes áreas superficiales y nuevos estados electrónicos. El borofeno puede usarse como catalizador en evolución de hidrógeno, reducción de oxígeno y 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 años recientes, la investigación en sistemas de almacenamiento de hidrógeno se ha vuelto cada vez más prevalente, impulsada por la demanda de almacenamiento de energía y el avance de 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 enlace del hidrógeno molecular a la lámina de boro es más fuerte que la del grafeno.

Sensores de gas: Las propiedades de adsorción de gas del borofeno lo hacen adecuado en aplicaciones de detección de gases para diferentes gases incluyendo 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 grandes ratios de área superficial a volumen.

Conclusiones

El desarrollo de materiales 2D es una de las fronteras más emocionantes en la investigación de materiales hoy en día. La síntesis guiada computacionalmente del borofeno, apenas una década después de la síntesis del grafeno, puede considerarse como un modelo para el desarrollo de nuevos materiales 2D. Quedan desafíos técnicos significativos en el desarrollo del borofeno, por ejemplo, escalar los procesos de fabricación, sin embargo, sus cualidades sin precedentes y únicas probablemente revelarán nuevos horizontes en electrónica flexible, tecnología de baterías y sensores.