Luego del aislamiento del grafeno en 2004, se puso en marcha una carrera tendiente a llegar a la síntesis de nuevos materiales bidimensionales, tal como se les denomina a los materiales con espesores que miden desde un átomo hasta unos pocos nanómetros (la milmillonésima parte de un metro). Dichos materiales poseen propiedades únicas relacionadas con su dimensionalidad y pueden ser protagonistas del desarrollo de la nanotecnología y de la nanoingeniería.
Un grupo internacional que cuenta con la participación de científicos brasileños de la Universidad de Campinas (Unicamp) obtuvo un nuevo material con esas características.
Los investigadores lograron extraer de un mineral de hierro común, tal como el que explotan muchas compañías mineras en Brasil, un material llamado hemateno, que tiene tres átomos de espesor y propiedades fotocatalíticas poco comunes.
Este nuevo material aparece descrito en un artículo publicado en Nature Nanotechnology. La investigación se concretó en el Centro de Ingeniería y Ciencias Computacionales (CECC) -uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) que cuentan con el apoyo de la FAPESP- y en el marco de una pasantía de investigación en el exterior realizada también con beca de la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de São Paulo – (FAPESP).
«El material que sintetizamos puede actuar como fotocatalizador -para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno- y permitir la generación de energía eléctrica a partir de hidrógeno, por ejemplo, además poseer otras diversas aplicaciones», declaró Douglas Soares Galvão, investigador del CECC y uno de los autores del estudio.
El nuevo material se extrajo de la hematita, un mineral que constituye la principal fuente de hierro, que es el más común, el más barato y el más importante de los metales, y que se utiliza en la elaboración de diversos productos, fundamentalmente al transformárselo en acero.
A diferencia del carbono y de su forma bidimensional (el grafeno), la hematita es un material no van der Waals, tal como se los denomina a aquéllos que se mantienen unidos por redes de uniones tridimensionales, en lugar de poseer interacciones atómicas no covalentes -en las cuales no se comparten uno o más pares de electrones entre los átomos participantes en la unión- y que, comparativamente, son más débiles que las de los materiales van der Waals.
Debido a que es un mineral que existe naturalmente, por ser un material no van der Waals y por tener cristales grandes y altamente orientados, los científicos plantearon la hipótesis de que la hematita podría actuar como un excelente precursor para la obtención de un nuevo material bidimensional no van der Waals.
«La mayoría de los materiales bidimensionales sintetizados hasta ahora derivan de muestras de sólidos de van der Waals. Los materiales bidimensionales no van der Waals, con capas atómicas altamente ordenadas y granos grandes, aún son raros», dijo Soares Galvão.
Con el objetivo de obtener un material con tales características -el hemateno- a partir de la hematita, los científicos utilizaron la técnica de exfoliación líquida en un solvente orgánico, la N-dimetilformamida (DMF). Mediante microscopía electrónica de transmisión, lograron confirmar la exfoliación y la formación del hemateno en hojas sueltas de tres átomos de hierro y de oxígeno (monocapa) y en hojas sueltas apiladas aleatoriamente (bicapa).
Mediante ensayos y cálculos matemáticos, se estudiaron las propiedades magnéticas del hemateno. Con esos cálculos y pruebas, los investigadores descubrieron que las propiedades magnéticas del hemateno difieren de las de la hematita.
Mientras que la hematita es típicamente antiferromagnética -sus dipolos magnéticos se encuentran dispuestos en forma antiparalela-, los ensayos demostraron que el hemateno es ferromagnético, al igual que un imán común.
«En los ferromagnetos, los momentos magnéticos de los átomos apuntan en la misma dirección. En los antiferromagnetos, los momentos en los átomos adyacentes se alternan», explicó Soares Galvão.
Un fotocatalizador eficiente
Los científicos también analizaron las propiedades fotocatalíticas -para acelerar una fotorreacción a través de la acción de un catalizador- del hemateno. Los resultados de esos estudios también demostraron que la fotocatálisis del hemateno es más eficiente que la de la hematita, que ya era conocida por sus propiedades fotocatalíticas, pero no lo suficientemente buenas como para ser de utilidad.
Para que un material se constituya como un eficiente fotocatalizador, debe absorber la parte visible de la luz solar, por ejemplo, y generar cargas eléctricas y transportarlas hasta su superficie, de manera tal de plasmar la reacción deseada.
La hematita, por ejemplo, absorbe la luz del sol de la región ultravioleta a la franja amarilla anaranjada, pero las cargas producidas tienen una vida muy corta. Como resultado de ello, se extinguen antes de llegar a la superficie.
En tanto, la fotocatálisis del hemateno es más eficiente, toda vez que los fotones generan cargas negativas y positivas dentro de pocos átomos de la superficie, según compararon los investigadores. Y al juntar el nuevo material con matrices de nanotubos de dióxido de titanio -que suministran un camino fácil para que los electrones dejen el hemateno-, descubrieron que podrían permitir que se absorbiera más luz visible.
«El hemateno puede ser un eficiente fotocatalizador, especialmente para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, pero también puede servir como un material magnético ultradelgado destinado a dispositivos basados en espintrónica [o magnetoelectrónica]», dijo Soares Galvão.
El grupo ha venido investigando otros materiales no van der Waals, a causa de su potencial para dar origen a otros materiales bidimensionales con propiedades exóticas. «Hay una serie compuesta por otros óxidos de hierro y sus derivados que podrían dar origen a nuevos materiales bidimensionales», dijo Soares Galvão.
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo