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Los superpoderes de los materiales superdelgados

Aquellos que son bidimensionales serán el elemento principal del internet “de todo”, aseguran los investigadores que trabajan en su desarrollo

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19 de enero de 2020 a las 05:00

Por Amos Zeeberg - The New York Times

En años recientes, los dispositivos conectados a internet han superado una serie de nuevas fronteras: muñecas, refrigeradores, timbres, autos. Sin embargo, según algunos investigadores, la propagación del “internet de las cosas” no ha llegado tan lejos como debería.

“¿Y si pudiéramos integrar los dispositivos electrónicos en absolutamente todo?”, dijo hace poco Tomás Palacios, ingeniero eléctrico del Instituto Tecnológico de Massachusetts. “¿Y si cosecháramos la energía a partir de celdas solares en las autopistas, y tuviéramos sensores de peso integrados en los túneles y los puentes para monitorear el concreto? ¿Y si pudiéramos mirar por la ventana y ver a través de ella el pronóstico del clima? ¿O poner dispositivos electrónicos en mi chaqueta para monitorear mi salud?”.

En enero de 2019, Palacios y sus colegas publicaron un artículo en la revista Nature en el que describieron un invento que nos acercaría un poco más a ese futuro: una antena que puede absorber la red cada vez más densa creada por las señales de celular, wifi y Bluetooth para convertirla en energía eléctrica utilizable.

La clave para esta tecnología es un nuevo material prometedor llamado disulfuro de molibdeno, o MoS2, que puede depositarse en una capa de tan solo 3 átomos de grosor. En el mundo de la ingeniería, no hay nada más delgado que eso.

Y lo delgado es útil. Una capa de MoS2, por ejemplo, podría ponerse alrededor de un escritorio y convertirlo en un cargador para computadoras portátiles, sin necesidad de usar cables.

Desde la perspectiva de los investigadores como Palacios, los materiales bidimensionales serán el elemento principal del internet de todo. Se “pintarán” en puentes y formarán sensores para observar la tensión y las grietas. Cubrirán las ventanas con capas transparentes que se volverán visibles solo cuando muestren información. Además, si la antena absorbente de ondas de radio de su equipo tiene éxito, se usará en los dispositivos electrónicos que siempre están presentes. Cada vez más, el futuro parece ser plano.

“Ha habido un interés explosivo”, dijo Jeff Urban, investigador de materiales 2D de la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. “No hay otra manera de caracterizarlo”.

Lo plano te llevará a todas partes

La manía por la química 2D comenzó en 2004, cuando dos investigadores de la Universidad de Liverpool usaron cinta de celofán para desprender capas de carbono de un átomo de grosor a partir de trozos de grafito, con lo que formaron grafeno. El grafeno es idéntico al grafito y al diamante en cuanto a su composición, pero la delgadez le da propiedades muy distintas: es flexible, transparente y muy fuerte, además de ser un conductor termal y eléctrico excepcional.

Los investigadores rápidamente se dispusieron a crear todo tipo de dispositivos nuevos y mejorados con este material. Hace poco, varias compañías lanzaron audífonos con diafragmas —las membranas que vibran y producen el sonido en los dispositivos de audio— hechos de grafeno. Algunos fabricantes de pintura están añadiendo grafeno a sus fórmulas para fabricar cubiertas más duraderas. En octubre pasado, Huawei presentó el Mate 20 X, un celular grande y poderoso que aprovecha el grafeno para ayudar a enfriar el procesador. Samsung usó grafeno para desarrollar una batería de carga más veloz, la cual quizá se integre a los celulares en el futuro cercano.

Urban está trabajando con materiales 2D para mejorar las pilas de combustible, que han llamado la atención como sistema de propulsión limpia para los vehículos ecológicos. La mayoría de las pilas de combustible generan electricidad a partir del hidrógeno, pero, incluso bajo una presión alta, el gas de hidrógeno ocupa mucho más espacio que una cantidad similar de gasolina, por lo que su uso no resulta práctico en automóviles.

En cambio, Urban está integrando átomos de hidrógeno en materiales sólidos, que son mucho más densos que los gases. En marzo, él y sus colegas anunciaron un nuevo medio de almacenamiento: pequeños cristales de magnesio envueltos en franjas estrechas llamadas nanolistones de grafeno. Según sus hallazgos, el hidrógeno almacenado de esta manera podría proporcionar casi tanta energía como el mismo volumen de gasolina, pero con un peso mucho menor.

Urban comparó el proceso con hornear galletas con chispas de chocolate: el magnesio sería la chispa de chocolate —el elemento clave— porque contiene el hidrógeno. “Queremos una galleta con chispas de chocolate que tenga tantas chispas como sea posible”, dijo, y los nanolistones de grafeno permiten fabricar una excelente masa para galletas. Los nanolistones también ayudan a que el hidrógeno entre y salga de los cristales de magnesio rápidamente mientras aíslan el oxígeno, que compite con el hidrógeno por el espacio en los cristales.

En otros frentes, los investigadores están tomando capas superdelgadas de materiales y las están apilando en bloques tridimensionales que tienen propiedades distintas de los materiales 2D y 3D convencionales.

Kwabena Bediako, químico de la Universidad de California, campus Berkeley, publicó un estudio el año pasado en la revista Nature en el que describió la manera en que él y sus colegas habían integrado iones de litio entre muchas capas de materiales bidimensionales, incluyendo el grafeno.

“Comenzamos con un pedazo de pan, le pusimos un poco de mayonesa, una rebanada de queso y algo de jamón”, comentó. “Puedes hacer eso tantas veces como quieras y crear un emparedado”.

Variando las distintas capas en la pila tridimensional, los investigadores pudieron afinar la manera en que los materiales almacenaban litio, lo cual podría llevar al desarrollo de nuevas baterías de alta capacidad para los dispositivos electrónicos.

Cada vez más delgados

Uno de los lugares en los que los materiales bidimensionales están floreciendo es Singapur, en el laboratorio de Liu Zheng, en la Universidad Tecnológica de Nanyang. Singapur se conoce como la Ciudad Jardín, y el pequeño país ha llenado de manera ferviente su terreno de áreas verdes, incluyendo la universidad, donde se han colocado jardines en rincones libres alrededor de sus edificios modernos.

Zheng considera que su investigación es otro tipo de cultivo. “Soy jardinero”, dijo. “Hay un jardín 2D con todo tipo de flores. Son hermosas”.

El año pasado, Zheng y sus colegas expandieron drásticamente ese jardín creando decenas de materiales bidimensionales nuevos a partir de una clase de compuestos llamada calcogénidos metálicos de transición o los TMC. El descubrimiento clave fue el uso de sal de mesa ordinaria para reducir la temperatura a la que los metales generalmente se funden; eso permitió que los metales se vaporizaran y se depositaran en películas delgadas.

“Un día un estudiante me dijo: ‘Puedo fabricar todos los TMC con sal’”, comentó Zheng. “Me sorprendí mucho. Ese fue mi sueño durante muchos años”.

Muchos TMC, incluyendo el MoS2 que utiliza Palacios para absorber las ondas de radio, tienen potencial para varios usos industriales. El seleniuro de platino fabricado en el laboratorio de Singapur podría usarse para crear pilas de combustible más baratas, que generalmente usan platino, un metal precioso, para separar el protón de un átomo de hidrógeno de su electrón. Si se opta por el seleniuro de platino bidimensional, se podría reducir la cantidad utilizada de platino en un 99 por ciento, explicó Zheng. La Universidad Tecnológica de Nanyang está negociando con fabricantes en cuanto a la comercialización de esta tecnología. El futuro aún no es bidimensional, pero se acerca cada vez más.

“Veo un potencial comercial enorme para este material”, dijo Zheng. “Podemos tener un gran impacto en el mercado”.

Una cámara de vacío para usar espectroscopia de rayos X con el fin de medir materiales de muestra, los pequeños cuadros de colores que se observan, en la Fuente de Luz Avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California, el 26 de noviembre de 2019. (Anastasiia Sapon/The New York Times)

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