Ya hemos visto la revolución que supuso el descubrimiento del grafeno como primer material bidimensional conocido. Por eso, tras el aislamiento de las monocapas de grafeno, los mismos Geim y Novoselov sugirieron la posibilidad de aplicar su método de exfoliación mecánica a otros sólidos cuya estructura cristalina consistiera en un apilamiento de capas como en el grafito[1]. De hecho, acabamos de ver en el apartado anterior que el nitruro de boro cumple ese requisito y se pueden obtener monocapas de espesor atómico, Ahora veremos que no es el único material con el que se puede lograr esto.
Los investigadores se percataron de que había una serie de compuestos que presentaban propiedades análogas al grafito incluyendo la posible exfoliación en capas del material cristalino tridimensional. Unas sustancias inorgánicas con esas propiedades son algunos dicalcogenuros de metales de transición con fórmula general MX2, siendo M un metal de transición como Mo o W y X un calcogenuro como S, Se o Te. Es decir, hablamos de materiales como MoS2, WS2 y MoSe2, entre otros. Se ha demostrado que pueden aislarse monocapas de espesor atómico de estos materiales que resultan análogas al grafeno desde el punto de vista cristalográfico. Estos materiales resultan muy relevantes desde el punto de vista de posibles aplicaciones ya que, a diferencia del grafeno, muchos dicalcogenuros son semiconductores de por sí y este carácter se mantiene para la monocapa aislada.
El disulfuro de molibdeno (MoS2) fue el primero de los dicalcogenuros que fue aislado y estudiado como material bidimensional en 2010[2]. Se trata de un compuesto inorgánico que se encuentra en la naturaleza en forma de molibdenita, la mena habitual para extraer molibdeno metálico. El disulfuro de molibdeno es un sólido gris de brillo metálico y aspecto muy similar al grafito; de hecho, posee las mismas propiedades lubricantes en estado sólido debido a su baja fricción. Se trata de una sustancia poco reactiva que se comporta como un semiconductor con un ancho de banda prohibida indirecto de 1,23 eV, muy similar al del silicio (1,1 eV).
Las monocapas de disulfuro de molibdeno son equivalentes a las del grafeno, como se aprecia en las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de la figura 10.10, aunque su espesor mínimo comprende al menos tres átomos debido al motivo estructural de su celda unidad. Se comportan también como semiconductores pero de forma ligeramente distinta al cristal tridimensional, ya que el ancho de banda prohibida aumenta a 1,8 eV y se convierte en un semiconductor directo. Además, una sola monocapa puede absorber una proporción importante de fotones dentro del espectro visible dando lugar a una alta fotoluminiscencia, como reveló el citado estudio de A. Splendiani et al. A todo esto hay que sumarle que, si bien sus propiedades mecánicas no son tan espectaculares como las del grafeno, siguen siendo realmente buenas y dentro del mismo orden de magnitud, con una resistencia a la tracción de 23 GPa y un módulo de Young de 0,27 TPa[3], datos que parecen confirmar que las propiedades mecánicas de los nuevos materiales bidimensionales son en general excelentes.
Por tanto, a lo largo de estos últimos años se está completando el espectro de los materiales bidimensionales que se inició en el 2004 con el descubrimiento del grafeno. Actualmente se conocen decenas de materiales de dos dimensiones que surgen de otras sustancias de naturaleza inorgánica que poseen una estructura similar al grafito y que, por tanto, dan la posibilidad de aislar las capas que conforman las estructuras cristalinas tridimensionales, como ya hemos mencionado para el caso del nitruro de boro o algunos dicalcogenuros de Mo y W. No obstante, existen otros materiales bidimensionales que se están estudiando en los últimos años. Tenemos por ejemplo el fosforeno (un alótropo del fósforo)[6] o el antimoneno (del antimonio)[7], mientras que de otros elementos como B, Si, Ge, Bi, Sn o Pb existen formas bidimensionales menos estables que solo se pueden crecer encima de sustratos y que de momento están aún en fase de desarrollo.
El descubrimiento de nuevos materiales bidimensionales más allá del grafeno amplía mucho las posibles aplicaciones tecnológicas gracias a las diferentes combinaciones que se pueden dar de capas con distintas propiedades. Por ejemplo, ya vimos que el grafeno se comporta como un semimetal sin ancho de banda, mientras que el nitruro de boro es un aislante (5 eV). En la figura 10.11 vemos ejemplos como el presentado en esta sección, el disulfuro de molibdeno, un semiconductor con ancho de banda prohibida de 1,8 eV; o el antimoneno, con un ancho de banda menor (1,2 eV). De este modo, existe un amplio abanico de posibilidades a la hora de buscar nuevas aplicaciones.
Teniendo en cuenta esta diversidad, una de las propuestas más recientes en este campo es crear nanoestructuras consistentes en apilamientos de capas de distintos materiales a las que se conoce como heteroestructuras de Van der Waals. Este nombre procede de que las distintas capas de las estructuras se enlazan mediante interacciones débiles de tipo Van der Waals, como ocurre por ejemplo en el grafito. En la parte derecha de la figura 10.11 se muestra un esquema de cómo sería una de estas heteroestructuras de Van der Waals, como si fueran piezas de distintos colores que se ensamblan entre sí. Asimismo, aparece una imagen tomada por microscopía electrónica de transmisión de un ejemplo real de una heteroestructura constituida por láminas alternas de grafeno y nitruro de boro.
[1] K. S. Novoselov et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102 (2005) 10451 (2005). https://doi.org/10.1073/pnas.0502848102.
[2] A. Splendiani et al. Nano Lett. 10 (2010) 1271-1275. https://doi.org/10.1021/nl903868w; K. F. Mak et al. Phys. Rev. Lett. 105 (2010) 136805. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.136805.
[3] S. Bertolazzi et al. ACS Nano 5 (2011) 9703-9709. https://doi.org/10.1021/nn203879f.
[4] H. S. S. Ramakrishna Matte et al. Angew. Chem. Int. Ed. 49 (2010) 4059-4062. https://doi.org/10.1002/anie.201000009.
[5] M. Li et al. Sci. Technol. Adv. Mater. 17 (2016) 189-199. https://doi.org/10.1080/14686996.2016.1165584.
[6] A. Castellanos-Gómez et al. 2D Mater. 1 (2014) 025001. https://doi.org/10.1088/2053-1583/1/2/025001.
[7] P. Ares et al. Adv. Mater. 28 (2016) 6332-6336. https://doi.org/10.1002/adma.201602128.
[8] Los diagramas de bandas se han tomado del artículo R. Roldán et al. Chem. Soc. Rev. 46 (2017) 4387-4399. https://doi.org/10.1039/C7CS00210F. El esquema de la heteroestructura de Van dew Waals es de A. K. Geim y I. V. Grigorieva. Nature 499 (2013) 419-425. https://doi.org/10.1038/nature12385. La imagen real por microscopía electrónica de transmisión de la heteroestructura es de K. S. Novoselov et al. Science 353 (2016) aac9439. https://doi.org/10.1126/science.aac9439.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
