Más allá de ‘van der Waals’: próxima generación de heteroestructuras 2D-2D covalentes

• Un equipo de científicos de IMDEA Nanociencia ha unido estructuras 2D de MoS₂ y grafeno utilizando por primera vez un velcro molecular: una conexión covalente.
• Las estructuras 2D-2D se utilizaron para construir robustos transistores de efecto campo (FET) con control sobre la comunicación electrónica, naturaleza química de la interfaz y distancia entre las capas.
• Las propiedades electrónicas del sistema están dominadas por la interfaz de las dos capas de materiales, unidos covalentemente.

Entrevista a los autores

   ¿Cómo explicarías tu trabajo a alguien que no tiene conocimiento del campo?

Enrique Burzurí (EB): Los materiales 2D son materiales extremadamente delgados (atómicamente) que presentan propiedades interesantes para aplicaciones electrónicas. Dependiendo de la naturaleza del material, estas propiedades pueden ser diferentes (buena conductividad eléctrica, sensibilidad a la luz, etc.). Esta es la razón por la que los científicos están tratando de combinar dos o más de estos materiales en uno nuevo. El método más extendido para hacer esto es apilar manualmente un material sobre el otro, una pieza cada vez. Nosotros, en cambio, utilizamos la química para unir los materiales en estructuras fuertes donde una pequeña molécula se utiliza como enlace y a la vez como modulador de las propiedades eléctricas del material final.

Emilio M. Pérez (EMP): ¡Exactamente! Al tratar de combinar lo mejor de dos materiales, la mayoría de los científicos se han centrado en simplemente apilarlos juntos. Lo que hacemos aquí es diseñar realmente un "Velcro" molecular que sea reactivo hacia un material en un extremo, y hacia el otro en el otro extremo, de modo que podemos juntarlos, de forma más fácil, más rápida, juntando muchos copos a la vez ... Además, y esto es importante, el enlazador molecular afecta realmente a las propiedades del ensamblaje final, por lo que añadimos un grado más de control a la heteroestructura.

   ¿Por qué una persona promedio debería preocuparse por esta investigación? ¿Cuáles son algunas de las posibles aplicaciones de la vida real?

EB: El enfoque que hemos seguido tiene el potencial de reducir costes y lograr un mejor control en la fabricación de nuevos dispositivos electrónicos basados en materiales 2D. Estos avances acercarían la implementación de materiales 2D en la electrónica de la vida real.

EMP: Este trabajo se ve mejor como el desarrollo de una herramienta. Estamos proporcionando un nuevo método para hacer dispositivos basados en heteroestructuras 2D-2D. Además de reducir posiblemente los costes de fabricación, como señala Enrique, esto tiene implicaciones potenciales en lo que los dispositivos pueden hacer (por ejemplo, habilitar una nueva función) y en qué tan bien lo hacen (por ejemplo, un mejor rendimiento de un sensor).

   ¿Por qué elegiste investigar este tema?

EMP: La química de los materiales 2D es en sí misma muy interesante, porque es muy desafiante. Todos los átomos se ven iguales y, por lo general, no son muy reactivos, por lo que es difícil hacer química en ellos, ¡y “difícil” significa “diversión”! Además, el privilegio de la Química es que podemos transformar la materia, para hacerla útil (o simplemente más interesante). En este caso, por ejemplo, pegando dos materiales 2D más fácilmente y con mejor control.

EB: Para mí, la combinación de materiales 2D en heteroestructuras es uno de los campos más activos en la Ciencia de Materiales. Me parece muy interesante que este campo de investigación pueda conducir no solo a nuevas tecnologías, sino también a nuevos fenómenos físicos emocionantes.

   ¿Qué es lo más emocionante de sus resultados?

EB: Me parece muy emocionante que, gracias a este enfoque químico, podamos fabricar cientos de estos dispositivos electrónicos en un solo paso. Además, esta técnica se puede extender a otros materiales más exóticos para que podamos crear una nueva generación de dispositivos electrónicos con propiedades que puedan complementar la electrónica.

EMP: Creo que la simplicidad del método es lo más emocionante. Todo se realiza en condiciones suaves, a temperatura ambiente o cerca de ella, utilizando equipos de laboratorio y reactivos comunes... Esto también lo hace muy robusto y reproducible: ¡hemos hecho literalmente cientos de dispositivos y el método simplemente funciona!

   ¿Cuál es la novedad, la innovación más allá del estado del arte de estos resultados?

EMP: Siempre es difícil cuantificar estas cosas... especialmente cuando se trata de la propia investigación de la que está hablando. Quizás la forma más fácil de medir la novedad es que hasta ahora, el apilamiento de materiales 2D uno encima del otro dependía exclusivamente de las fuerzas de van der Waals hasta el punto de que todo el campo a menudo se llama "heteroestructuras de van der Waals". Las fuerzas de Van der Waals son geniales, ¿sabes? Como químico supramolecular, me encantan las fuerzas no covalentes, pero si lo piensas, es bastante limitante tener solo una opción ... sobre todo teniendo en cuenta que las propiedades de la heteroestructura final dependen crucialmente de cómo se interconectan los nanomateriales (recientemente escuché al Prof. Luis Hueso afirmar que "la interfaz es el dispositivo"). Por otro lado, la química sintética es el paradigma del control a escala atómica. Con este trabajo, traemos la enorme caja de herramientas de la química al juego de hacer heteroestructuras 2D-2D... Creo que es justo decir que es una contribución digna de mención.

EB: Hemos cambiado la forma en que se hacen las heteroestructuras 2D. Por primera vez hemos utilizado la química para unir covalentemente materiales 2D y formar in situ varios dispositivos electrónicos al mismo tiempo.