Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) de Suiza, que simularon miles de posibles materiales unidimensionales, afirman haber descubierto lo que podría ser el alambre metálico más delgado jamás encontrado, el nanohilo. Los materiales unidimensionales, como los nanotubos de carbono, que se construyen uniendo átomos individuales en una cadena, son codiciados por sus propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas únicas y a menudo inusuales.
Los investigadores detrás de este material unidimensional (1-D) en particular, ensamblado alternando dos átomos de carbono y un átomo de cobre, afirman que su alambre recién diseñado podría ser el nanohilo metálico más delgado jamás creado, capaz de permanecer estable a 0 grados Kelvin. Si el alambre simulado puede fabricarse, los investigadores creen que podría tener numerosas aplicaciones en futuros componentes electrónicos miniaturizados.
SIMULACIONES POR COMPUTADORA IDENTIFICAN LOS PRINCIPALES CANDIDATOS PARA CREAR MATERIALES UNIDIMENSIONALES
Para empezar, Chiara Cignarella, autora principal del artículo que describe el descubrimiento, y sus colegas Davide Campi y Nicola Marzari, se preguntaron si las simulaciones por computadora usando estructuras cristalinas ya conocidas podrían ayudarlos a encontrar el candidato perfecto sin tener que intentar construir miles de ellos en un laboratorio. Específicamente, buscaban cristales tridimensionales que tuvieran las propiedades estructurales y electrónicas adecuadas que les permitieran ser fácilmente «exfoliados». Según los autores del estudio, la exfoliación es el proceso de ‘desprender’ el material sobrante de la estructura 3D original hasta que solo queda la cadena unidimensional de átomos. Este proceso se ha utilizado en el pasado para extraer materiales bidimensionales (2-D) como el grafeno de materiales tridimensionales, pero los investigadores señalan que esta sería la primera vez que se utiliza para exfoliar materiales unidimensionales como los nanotubos de carbono.
Este enfoque conceptual, que nació en el Laboratorio de Teoría y Simulación de Materiales de la EPFL, parte del esfuerzo del Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) MARVEL, llevó a la creación de una base de datos de más de 780,000 estructuras cristalinas tridimensionales conocidas, recopiladas de varias bases de datos científicas de todo el mundo. Durante este proceso, los investigadores se centraron específicamente en cristales mantenidos unidos por fuerzas de van der Waals. Según el comunicado de prensa que anuncia el descubrimiento, las fuerzas de van der Waals son «el tipo de interacciones débiles que ocurren cuando los átomos están lo suficientemente cerca como para que sus electrones se superpongan».
A continuación, el equipo creó un algoritmo especializado para clasificar la enorme cantidad de datos que habían compilado. Si funcionaba correctamente, su algoritmo identificaría cristales cuya organización espacial de átomos contenía hilos naturales similares a alambres. También calcularía con precisión cuánta energía se requeriría para separar estos nanohilos unidimensionales del resto del cristal base, lo cual es crítico para determinar cuán viables serían para fabricarse realmente.
“Buscábamos específicamente alambres metálicos, que se supone son difíciles de encontrar porque, en principio, los metales 1-D no deberían ser lo suficientemente estables para permitir la exfoliación”, explicó Cignarella. Por ejemplo, los investigadores dicen que los nanotubos de carbono unidimensionales, que alguna vez fueron prometedores, han perdido favor ya que han demostrado ser «muy difíciles de fabricar y controlar».
DE 780,000 CANDIDATOS A CUATRO
Este esfuerzo inicialmente redujo la enorme lista de posibles cristales a solo 800 candidatos viables. Un refinamiento adicional basado en la estabilidad simulada, las propiedades electrónicas y estructurales de esta lista la redujo aún más a los 14 principales y, finalmente, a los cuatro candidatos más prometedores. Notablemente, dos de esos materiales eran metales y los otros dos eran semimetales.
En última instancia, el candidato más intrigante del algoritmo fue una cadena de línea recta compuesta por dos átomos de carbono y un átomo de cobre. Llamado alambre metálico CuC2, las simulaciones del material unidimensional mostraron las propiedades electrónicas conductoras de un alambre mientras permanecía estable a una temperatura de funcionamiento normal. Esto se debe a que esta cadena simulada en particular también era resistente a las distorsiones de Peierls, que son rupturas en la cadena unidimensional.
“Es realmente interesante porque no esperarías que un alambre real de átomos a lo largo de una sola línea sea estable en la fase metálica”, dijo Cignarella sobre su principal candidato.
Los investigadores dicen que también se alegraron al descubrir que su alambre unidimensional teórico podría exfoliarse de tres fuentes cristalinas distintas. Según su estudio, estas son NaCuC2, KCuC2 y RbCuC2.
“Requiere poca energía para extraerse de ellas”, explica el comunicado, “y su cadena puede doblarse mientras conserva sus propiedades metálicas, lo que lo haría interesante para la electrónica flexible”.
FABRICANDO MATERIALES PRINCIPALES PARA COMPRENDER SU RENDIMIENTO EN EL MUNDO REAL
En su estudio, publicado en la revista ACS Nano, los investigadores señalan que su algoritmo también descubrió otros materiales unidimensionales prometedores. Por ejemplo, un semimetal identificado por sus simulaciones, Sb2Te2, podría ayudar a los físicos a estudiar los aislantes excitónicos. Un estado exótico de la materia que se teorizó inicialmente hace más de 50 años, los aislantes excitónicos nunca han sido observados directamente. Si se fabricara en la vida real, Sb2Te2 podría permitir que este fenómeno cuántico se vuelva visible a escalas macroscópicas.
A continuación, Cignarella dice que su equipo espera asociarse con experimentalistas que puedan sintetizar estos materiales unidimensionales, incluido su nanohilo de carbono y cobre. En teoría, crear estos materiales en el mundo real podría permitir a los científicos probar cómo transportan cargas eléctricas y cómo diferentes temperaturas afectan su estabilidad y rendimiento.
Según los autores del estudio, «ambas cosas serán fundamentales para comprender cómo funcionarían en aplicaciones del mundo real.»
