Investigadores de la Universidad sueca de Linköping desarrollaron un innovador material al que han denominado ‘goldeno’ de sorprendentes propiedades semiconductoras. El reciente hallazgo abre una gama de posibilidades para su uso en la generación de hidrógeno y en la síntesis de productos químicos valiosos.
Su nombre, hasta ahora poco conocido, dará que hablar a futuro. Es la traducción de «goldene», que surge de la fusión de sus dos componentes en inglés, «gold» (oro) y «graphene» (grafeno). El grafeno destaca por ser duro, flexible, ligero y con una alta resistencia. Se calcula que este material es 200 veces más resistente que el acero y unas 5 veces más ligero que el aluminio. Con estas propiedades, el grafeno tiene aplicaciones en el sector energético, el de la construcción, la salud y la electrónica.
También es una sustancia compuesta por láminas de átomos de carbón puro dispuestos en un patrón rectangular hexagonal, como si fuera un panel de abeja. El goldeno es parecido pero con átomos de oro.
Los científicos han intentado durante mucho tiempo fabricar láminas de oro de un solo átomo de espesor, pero fracasaron debido a la tendencia del metal a agruparse. En la Universidad de Linköping le han conseguido beneficios a un método centenario utilizado por los herreros japoneses y sus resultados publicados en la revista Nature.
“Si haces un material extremadamente delgado, sucede algo extraordinario, como sucede con el grafeno. Lo mismo ocurre con el oro. Como saben, el oro suele ser un metal, pero si tiene una capa de un solo átomo de espesor, el oro puede convertirse en un semiconductor”, afirma Shun Kashiwaya, investigador de la División de Diseño de Materiales de la Universidad de Linköping.
El goldeno, fantástica casualidad
Comentaron los investigadores que la creación del goldeno fue fortuito ya que originalmente se había concebido para otros usos. Utilizaron un material base tridimensional (3D) donde el oro está incrustado entre capas de titanio y carbono. Según Lars Hultman, profesor de física de películas delgadas de Linköping, parte del progreso de esta nueva y nobel sustancia se debe a una casualidad.
“Habíamos creado el material base con aplicaciones completamente diferentes en mente. Comenzamos con una cerámica conductora de electricidad llamada carburo de silicio y titanio, donde el silicio se encuentra en capas delgadas. Entonces”, explicó Hultman “la idea fue recubrir el material con oro para hacer contacto. Pero cuando expusimos el componente a altas temperaturas, la capa de silicio fue reemplazada por oro dentro del material base”.
Este fenómeno se llama intercalación y lo que los científicos descubrieron fue carburo de oro y titanio. Desde hace varios años, los investigadores disponen de carburo de oro y titanio sin saber cómo se puede exfoliar o, por así decirlo, exfoliar el oro.
Por casualidad, Lars Hultman encontró un método que se utiliza en el arte de la forja japonesa desde hace más de cien años. Se llama reactivo de Murakami y elimina los residuos de carbón y cambia el color del acero en la fabricación de cuchillos, por ejemplo. Pero no fue posible utilizar exactamente la misma receta que utilizaron los herreros.
“Probé diferentes concentraciones del reactivo de Murakami y diferentes tiempos para el grabado. Un día, una semana, un mes, varios meses. Lo que notamos fue que cuanto menor sea la concentración y más largo sea el proceso de grabado, mejor. Pero aún así no fue suficiente”, afirmó.
Resistente, flexible y semiconductor
Detalló que el grabado también debe realizarse en la oscuridad, ya que al recibir la luz se forma cianuro que disuelve el oro. El último paso fue estabilizar las láminas de oro. Para evitar que las láminas bidimensionales expuestas se enrollaran, se añadió un tensioactivo, es decir, una molécula larga que separa y estabiliza las láminas.
“Las láminas de goldeno están en una solución, un poco como copos de maíz en leche. Utilizando una especie de ‘tamiz’ podemos recoger el oro y examinarlo mediante un microscopio electrónico para confirmar que lo hemos conseguido. Y lo tenemos”, dijo la investigadora Shun Kashiwaya.
Las propiedades especiales del goldeno se deben a que cada átomo de oro tiene sólo seis átomos vecinos, frente a los doce de un cristal tridimensional. Gracias a esto, las aplicaciones futuras podrían incluir la conversión de dióxido de carbono, la catálisis generadora de hidrógeno. Así como la producción selectiva de productos químicos de valor añadido, la producción de hidrógeno, la purificación del agua, las comunicaciones y mucho más. Además, la cantidad de oro utilizada en las aplicaciones actuales puede reducirse considerablemente.
En comparación con otros materiales, el goldeno se distingue por su eficiencia. Tiene una excepcional conductividad eléctrica y térmica, superior a la del cobre y el aluminio y comparable con el grafeno.
A pesar de su delgadez, es también resistente y flexible como el grafeno. Al ser un semiconductor, puede ser utilizado en la electrónica, similar al silicio, pero con la ventaja de ser más delgado y potencialmente más eficiente en dispositivos electrónicos.
El siguiente paso para los investigadores de LiU es investigar si es posible hacer lo mismo con otros metales nobles e identificar aplicaciones futuras adicionales.
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