Anar al contingut

Materials monocapa

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià
El grafeno és una capa única d'àtoms de carbono disposts en forma de panal.

En ciència de materials, el terme materials monocapa (single-layer), materials d'una sola capa, materials d'una única capa, materials 2D o materials bidimensionales[1] es referix a sòlits cristalins constituïts per una sola capa d'àtoms. Estos materials són prometedors per a varis usos, pero de moment solament el grafeno té ya aplicacions pràctiques,[2] mentres que els atres seguixen sent objecte d'investigació.

Els materials monocapa formats per un sol element químic generalment es nomenen afegint el sufix -eno a les primeres lletres d'eixe element o d'una forma en que es presenta. Per eixemple, grafeno, derivat del grafit, una forma en que es presenta el carbono. Els materials d'una sola capa que són composts de 2 o més elements tenen sufixos -ano o -uro. Els materials 2D generalment es poden classificar com alótropos 2D de varis elements o com a composts (de 2 o més elements químics units per un enllaç covalente).

S'ha predit que podrien elaborar-se centenars de materials monocapa estables,[3][4] i fins a mills.[5] L'estructura atòmica i les propietats bàsiques calculades de molts materials monocapa potencialment sintetisables es poden trobar en bases de senyes.[6] Els materials 2D es poden produir utilisant principalment enfocaments top-down i bottom-up: en el primer es exfolian làmines monoatómicas (2D) d'un bloc de material (3D). En el segon se sintetisa la làmina a partir d'àtoms individuals. Els métodos d'exfoliació inclouen sonicación, exfoliació mecànica, hidrotermal, electroquímica, assistida per làser i assistida per microones.[7]

Materials constituïts per un sol element químic

[editar | editar còdic]

C: grafeno i grafino

[editar | editar còdic]

(la lletra C no és per un orde A, B, C, sino el símbol de l'element químic constitutiu, en este cas el carbono)

Grafeno

[editar | editar còdic]

El grafeno (graphene en anglés) és un alótropo cristalí del carbono en forma d'una làmina casi transparent (a la llum visible) d'un àtom de gruixa. Una làmina de grafeno és centenars de voltes més resistent que una làmina del mateix pes de la majoria dels acers.[8] Té la conductivitat tèrmica i elèctrica més alta coneguda, mostrant densitat de corrent un milló de voltes majors que les del coure.[9] Es va produir per primera volta en 2004.[10]

Andre Geim i Konstantín Novosiólov varen guanyar el Premi Nobel de Física 2010 «per experiments innovadors sobre el material bidimensional grafeno». Ho varen produir per primera volta pegant cinta adhesiva a un tros de grafit, desapegant-la, i després transferint a una oblea de silici els copos de grafeno que s'havien quedat adherits a la cinta.[11]

Grafino

[editar | editar còdic]

El grafino (graphyne en anglés) és un atre alótropo de carbono bidimensional l'estructura del qual és similar a la del grafeno. Pot vore's com una ret d'anells de benceno conectats per enllaços d'acetileno (enllaços triples C≡C). Depenent del contingut dels grups acetileno, el grafeno pot considerar-se una hibridació mixta, spn, a on 1 < n < 2,[12][13] en comparació al grafeno (sp 2 pur) i el diamant (sp 3 pur).

Els càlculs de primer principi utilisant curves de dispersió de fonones i temperatura finita ab initio, i les simulacions de dinàmica molecular per mecànica quàntica varen mostrar que el grafino i els seus anàlecs de nitrur de bor són estables.[14]


La possibilitat del grafino es conjeturó abans de 1960.[15] Encara no ha segut sintetisat. No obstant, el grafdiino (graphdiyne en anglés, grafeno en grups diacetileno) es va sintetisar sobre substrats de coure.[16] Recentment, s'ha afirmat que és un competidor del grafeno pel potencial dels cons de Dirac depenents de la direcció.[17][18]

B: borofeno

[editar | editar còdic]
Archiu:Borophene.png
Vista frontal i lateral d'una agrupació Plantilla:Fòrmula química, que podria vore's com el borofeno més chicotet

El borofeno és una monocapa atòmica cristalina de bor. També es coneix com a làmina de bor. La teoria va predir a mitan de la década de 1990 que podia existir en un estat independent,[19] i en 2015 Zhang et al. varen confirmar experimentalment distintes capes monoatómicas de borofeno en diferents substrats.[20][21]

Ge: germaneno

[editar | editar còdic]

El germaneno és un alótropo bidimensional del germani en una estructura de panal combado.[22] El germaneno sintetisat experimentalment mostra eixa estructura de panal,[23][24] que consta de dos subredes hexagonals desplaçades verticalment 0,2 A (ángstroms) entre sí.[25]

Si: siliceno

[editar | editar còdic]
Archiu:Silicene-Ag caps block 64 crop.jpg
Image STM de la primera ( 4×4 ) i segona capa ( √ 3 × √ 3 - β ) de siliceno depositat sobre una fina película d'argent. El tamany real de l'estructura és 16×16 nm (nanómetros, 10-9 metros).

El siliceno és un alótropo bidimensional del silici, en una estructura de panal hexagonal similar a la del grafeno.[26][27][28] Per a obtindre-ho es depositen àtoms de silici sobre una superfície d'una aleació Si/Ag en l'orientació cristalina 111, que servix de bastida del material monocapa.[29]

Sn: estaneno

[editar | editar còdic]
Archiu:Stanene caps block 76 .jpg
Image de celosía d'un cope (flake) de estaneno. El quadro central inferior mostra una microfotografía electrònica del cope a major escala. El quadro dret, casi tot negre, és un patró de difracció d'electrons que confirma l'estructura hexagonal.

l'estaneno és un aïllant topològic predit que pot mostrar corrents elèctriques sense malbarat (superconductividad) en les seues vores prop de la temperatura ambiente. Està compost per una sola capa d'àtoms d'estany disposts de manera similar al grafeno.[30] La seua estructura combada conduïx a una alta reactivitat front als contaminants atmosfèrics comuns, com els òxits de nitrogen (NOx), el diòxit de carbono i el monòxit de carbono, i és capaç d'atrapar-los i disociarlos (per eixemple en nitrogen i oxigen) a baixa temperatura.[31] Una determinació de l'estructura del estaneno usant difracció d'electrons de baixa energia ha mostrat un estaneno ultraplano en una superfície de coure(111).[32]

Pb: plumbeno

[editar | editar còdic]

El plumbeno és un alótropo bidimensional del plom, en una estructura de panal hexagonal similar a la del grafeno.[33]

P: fosforeno

[editar | editar còdic]
Archiu:Phosphorene structure.png
Estructura de fosforeno: (a) vista inclinada, (b) vista lateral, (c) vista superior. Les boles roges representen àtoms de fòsfor en la capa inferior, i les blaves, en la superior.

El fosforeno és un alótropo cristalí bidimensional del fòsfor. La seua estructura hexagonal monoatómica ho fa conceptualment similar al grafeno. No obstant, el fosforeno té propietats electròniques substancialment diferents; en particular, posseïx una banda prohibida distinta de zero al mateix temps que mostra una alta movilitat d'electrons.[34] Esta propietat ho convertix potencialment en un millor semiconductor que el grafeno.[35] La síntesis de fosforeno consistix principalment en métodos d'escissió micromecánica o exfoliació en fase líquida. El primer té un rendiment baix, mentres que el segon produïx nanoláminas independents en el solvent, pero no en el soport sòlit que seria necessari per a la seua utilisació. Els enfocaments d'avall cap a dalt, com la deposición química de vapor (CVD), de moment no funcionen en el fòsfor per la seua alta reactivitat. Per lo tant, actualment el método més eficaç per a la fabricació de películes primes de fosforeno sobre superfícies grans consistix en tècniques d'ensamblage en humit com Langmuir-Blodgett, que implica l'ensamblage seguit de la deposición de nanoláminas sobre soports sòlits.[36]

Sb: antimoneno

[editar | editar còdic]

El antimoneno és un alótropo bidimensional del antimoni, en els seus àtoms disposts en una ret de panal combado. Els càlculs teòrics[37] varen predir que el antimoneno seria un semiconductor estable en condicions ambientals en un rendiment adequat per a la (opte)electrònica. El antimoneno es va aïllar per primera volta en 2016 per mig d'exfoliació micromecánica[38] i es va descobrir que era molt estable en condicions ambientals. i sumergit en aigua.[39] També es pot produir per exfoliació en fase líquida.[40] Les seues propietats ho convertixen també en un bon candidat per a aplicacions biomèdiques i energètiques.[41]


En un estudi realisat en 2018,[42] es varen sometre electrodos serigrafiados (SPE) modificats en antimoneno a una prova de càrrega/descarrega galvanostática utilisant un enfocament de dos electrodos per a caracterisar les seues propietats supercapacitivas. La millor configuració observada, que contenia 36 nanogramos (ng) de antimoneno en el SPE, va mostrar inicialment una capacitancia específica d'1 578 F g- 1 a una corrent de 14 A g -1. Esta capacitancia va caure al 65 % de l'inicial despuix dels primers 800 cicles de càrrega/descarrega, pero després va permanéixer entre el 65 % i el 63 % durant els 9 200 cicles restants. És sistema antimoneno/SPE també va mostrar una densitat d'energia de 20 mW h kg −1 i una densitat de potència de 4,8 kW kg −1. Estes propietats supercapacitivas fan del antimoneno un material prometedor per a electrodos de supercondensadores.

Un estudi més recent[43] sobre SPE modificats en antimoneno mostra la capacitat inherent de les capes de antimoneno per a formar capes pasivadas electroquímicamente per a facilitar les medicions electroanalíticas en entorns oxigenados, en els que la presència d'oxigen dissolt normalment dificulta el procediment analític. El mateix estudi també descriu la producció in situ de nanocompuestos d'òxit de antimoneno/PEDOT:PSS com a plataformes electrocatalíticas per a la determinació de composts nitroaromáticos.

Bi: bismuteno

[editar | editar còdic]

El bismuteno és un alótropo bidimensional (2D) del bismut. En 2015 es va predir que seria un aïllant topològic i que conservaria la seua fase topològica quan es depositara sobre carbur de silici.[44] La predicció es va complir en 2016, quan es va conseguir per primera volta produir este material.[45]

A primera vista és similar al grafeno, ya que els àtoms de Bi s'organisen en forma de panal. No obstant, la banda prohibida aplega a 800 mV (milivoltios) pel gran acoplament espin-òrbita dels àtoms de Bi i la seua interacció en el substrat. Per lo tant, les aplicacions a temperatura ambiente de l'efecte Hall d'espin quàntic estan a l'alcanç de la mà.


Del bismuteno s'ha dit que és el major aislador topològic 2D de banda prohibida no trivial en el seu estat natural.[46][47] L'exfoliació de bismuteno a partir d'un bloc tridimensional de bismut s'ha conseguit en varis casos,[48][49] en treballs recents que proponen l'implementació del bismuteno en la detecció electroquímica.[50][51] Emdadul et al.[52] varen predir la resistència mecànica i la conductivitat tèrmica de fonones de el β-bismuteno monocapa per mig d'anàlisis a escala atòmica. La resistència a la fractura a temperatura ambiente (300 K, uns 27 °C) obtinguda és 4,21 N/m en la direcció del silló (armchair en anglés, una forma de denominar a una geometria d'hexàgons) i 4,22 N/m en la direcció en zigzag. A 300 K els seus mòduls de Young són 26,1 N/m i 25,5 N/m, respectivament, a lo llarc de les direccions de silló i zigzag. Ademés, la seua conductivitat tèrmica de fonones prevista de 1,3 W/(m∙K) a 300 K és considerablement més baixa que la d'atres panales 2D anàlecs, lo que ho convertix en un material prometedor per a operacions termoelèctriques.

Metals

[editar | editar còdic]
Archiu:Palladium nanosheet on silicon wafer.jpg
Image topogràfica 3D AFM d'una nanolámina de paladi multicapa.[53]

S'han conseguit capes monoatómicas de platí en una geometria de làmina bidimensional.[54][55] També d'una gruixa de 2 àtoms. Estes películes de platí creixen epitaxialmente sobre grafeno,[54] lo que impon una tensió de compressió que modifica la química de la superfície del platí, al mateix temps que permet la transferència de càrrega a través del grafeno.[55] Capes d'un sol àtom de paladi en una gruixa de fins a 2,6 Å,[53] i rodio en una gruixa inferior a 4 Å[56] també s'han sintetisat i caracterisat en microscopía de força atòmica i microscopía electrònica de transmissió.

En 2024, investigadors de l'Universitat de Linköping (Suècia) varen conseguir sintetisar el goldeno (de l'anglés gold, or, símbol Au)ː[57] làmines d'or d'un sol àtom de gruixa. Un eixemple de les diferents propietats dels materials monocapa respecte als tradicionals és que l'or normal és un bon conductor de l'electricitat, mentres que el goldeno és semiconductor.[57]

Aleacions 2D

[editar | editar còdic]

Les aleacions bidimensionales (o aleacions de superfície) són una capa de la gruixa d'un àtom que no es correspon en el substrat subjacent. Un eixemple són les aleacions ordenades 2D de Pb en Sn i en Bi.[58][59] S'ha descobert que les aleacions de superfície formen capes bidimensionales, com en el cas del siliceno.[29]


Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ «Nous materials alternatius al Silici: Grafeno i materials bidimensionales i GaN». Universitat de Salamanca.
  2. ↑ «Aplicacions que ya són una realitat en el grafeno».
  3. ↑ (2017).Phys. Rev. Lett..118(10)
    106101.doi:10.1103/PhysRevLett.118.106101.
  4. ↑ «Database». 2dmaterialsweb.org. Archivat des d'el original, el 22 de giner de 2019. Consultat el 23 de setembre de 2022.
  5. ↑ Chemistry World.Consultat el 5 de setembre de 2025.
  6. ↑ «Computational 2D Materials Database (C2DB) — COMPUTATIONAL MATERIALS REPOSITORY». cmr.fysik.dtu.dk.
  7. ↑ (2022).Matter.5(2)
    515–545.doi:10.1016/j.matt.2021.12.010.
  8. ↑ «[1]», Laptop.
  9. ↑ «Graphene properties». www.graphene-battery.net. Consultat el 2014-05-29.
  10. ↑ (2009).APS News.18(9)Consultat el 23 de setembre de 2022.
  11. ↑ «The Nobel Prize in Physics 2010». The Nobel Foundation. Consultat el 2013-12-03.
  12. ↑ (1997).Carbon.35(10–11)
    1654–1658.doi:10.1016/S0008-6223(97)82794-7.
  13. ↑ (2011).Physica Status Solidi B.248(8)
    1879–1883.doi:10.1002/pssb.201046583.
  14. ↑ The Journal of Physical Chemistry C.117(5)
    2175–2182.doi:10.1021/jp3111869.
  15. ↑ (1968).Revue Roumaine de Chimie.13(2)
    231–.
  16. ↑ (2010).Chemical Communications.46(19)
    3256–3258.doi:10.1039/B922733D.
  17. ↑ Solid State Communications.175–176
    43–50.doi:10.1016/j.ssc.2013.02.005.
  18. ↑ Physics.5(24)
    24.doi:10.1103/Physics.5.24.
  19. ↑ Surface Science.370(2–3)
    355–363.doi:10.1016/S0039-6028(96)00969-7.
  20. ↑ Science.350(6267)
    1513–1516.doi:10.1126/science.aad1080.
  21. ↑ Nature Chemistry.8(6)
    563–568.doi:10.1038/nchem.2491.
  22. ↑ Journal of Physics: Condensed Matter.26(44)
    442001.doi:10.1088/0953-8984/26/44/442001.
  23. ↑ (2015).Nano Letters.ACS Publications.15(4)
    2510–2516.doi:10.1021/acs.nanolett.5b00085.
  24. ↑ ACS Nano.12(11)
    11632–11637.doi:10.1021/acsnano.8b07006.
  25. ↑ Advanced Materials.23(36)
    4178–4182.doi:10.1002/adma.201101013.
  26. ↑ (2013).Chemical Reviews.ACS Publications.113(5)
    3766–3798.doi:10.1021/cr300263a.
    | doi= 10.1021/cr300263a | pmid= 23286380}}
  27. ↑ (2009).Phys. Rev. Lett..102(23)
    236804.doi:10.1103/PhysRevLett.102.236804.
  28. ↑ (2014).Journal of Physics: Condensed Matter.IOP Publishing.27(1)
    015002.doi:10.1088/0953-8984/27/1/015002.
  29. ↑ 29,0 29,1 (2022).2D Materials.9(4)
    045021.doi:10.1088/2053-1583/ac8a01.
  30. ↑ (2018).2D Materials.5(2)doi:10.1088/2053-1583/aa9ea0.
  31. ↑ Physical Chemistry Chemical Physics.17(33)
    21394–21396.doi:10.1039/C5CP03382A. Supporting Information
  32. ↑ (2020).Surface Science.691
    121498.doi:10.1016/j.susc.2019.121498.
  33. ↑ (2019).Advanced Materials.31(27)
    1901017.doi:10.1002/adma.201901017..
  34. ↑ Berger. «Beyond Graphene, a Zoo of New 2-D Materials». Discover Magazine. Archivat des d'el original, el 1 de novembre de 2019. Consultat el 2015-09-19.
  35. ↑ (2014).Nature Nanotechnology.9(5)
    372–377.doi:10.1038/nnano.2014.35.
  36. ↑ (2016).Sci. Rep..6
    34095.doi:10.1038/srep34095.
  37. ↑ (2015).Angew. Chem. Int. Ed..54(10)
    3112–3115.doi:10.1002/anie.201411246.
  38. ↑ (2016).Adv. Mater..28(30)
    6332–6336.doi:10.1002/adma.201602128.
  39. ↑ «[2]». Consultat el 22 de setembre de 2022.
  40. ↑ «[3]». Consultat el 22 de setembre de 2022.
  41. ↑ (2018).Adv. Mater..30(2)
    1703771.doi:10.1002/adma.201703771.
  42. ↑ Advanced Energy Materials.8(11)
    1702606.ISSN 1614-6840.doi:10.1002/aenm.201702606.
  43. ↑ Electrochimica Acta.410
    140033.doi:10.1016/j.electacta.2022.140033.
  44. ↑ New Journal of Physics.17(2)
    025005.doi:10.1088/1367-2630/17/2/025005.
  45. ↑ Science.357(6348)
    287–290.doi:10.1126/science.aai8142.
  46. ↑ Physical Review Letters.107(13)ISSN 0031-9007.doi:10.1103/physrevlett.107.136805.
  47. ↑ Physical Review Letters.97(23)ISSN 0031-9007.doi:10.1103/physrevlett.97.236805.
  48. ↑ Nanoscale.10(45)
    21106–21115.doi:10.1039/c8nr06797j.
  49. ↑ Angewandte Chemie International Edition.56(46)
    14417–14422.doi:10.1002/anie.201706389.
  50. ↑ (2019).Angewandte Chemie International Edition.58(1)
    134–138.doi:10.1002/anie.201808846.
  51. ↑ Electrochimica Acta.336doi:10.1016/j.electacta.2020.135726.
  52. ↑ Physical Chemistry Chemical Physics.22(48)
    28238–28255.ISSN 1463-9076.doi:10.1039/d0cp04785f.
  53. ↑ 53,0 53,1 Nano Letters.14(12)
    7188–7194.doi:10.1021/nl503879a.
  54. ↑ 54,0 54,1 Energy & Environmental Science.11(6)
    1610–1616.doi:10.1039/c8ee00539g.
  55. ↑ 55,0 55,1 ACS Applied Materials & Interfaços.7(11)
    6180–6188.doi:10.1021/acsami.5b00182.
  56. ↑ Nature Communications.5
    3093.doi:10.1038/ncomms4093.
  57. ↑ 57,0 57,1 «[4]». Consultat el 9 de maig de 2024.
  58. ↑ (2003).Phys. Rev. B.67(19)
    195407.doi:10.1103/PhysRevB.67.195407.
  59. ↑ (2011).J. Appl. Phys..110(7)
    074314–074314–4.doi:10.1063/1.3650883.
Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Materials_monocapa&oldid=822611»