Hace más de diez años, los investigadores de la Universidad de Rice dirigidos por el científico de materiales Boris Yakobson predijeron que los átomos de boro se aferrarían demasiado al cobre para formar borofeno, un material bidimensional flexible y metálico con potencial a través de la electrónica, la energía y la catálisis. Ahora, una nueva investigación muestra que la predicción se mantiene, pero no de la manera en que alguien esperaba.
A diferencia de los sistemas como el grafeno en cobre, donde los átomos pueden difundirse en el sustrato sin formar una aleación distinta, los átomos de boro en este caso formaron un boruro de cobre 2D definido, un nuevo compuesto con una estructura atómica distinta. El hallazgo, publicado en Avances científicos Por investigadores de Rice y Northwestern University, prepara el escenario para una mayor exploración de una clase relativamente sin explotar de materiales 2D.
«El borofeno sigue siendo un material al borde de la existencia, y eso hace que cualquier hecho sea importante al impulsar la envoltura de nuestro conocimiento en materiales, física y electrónica», dijo Yakobson, profesor de ingeniería de Rice Karl F. Hasselmann y profesor de ciencias de materiales y nanoingeniería y química. «Nuestro primer análisis teórico advirtió que en cobre, Boron se uniría con demasiada fuerza. Ahora, más de una década después, resulta que teníamos razón, y el resultado no es borofeno, sino algo completamente diferente».
Estudios anteriores sintetizaron con éxito el borofeno en metales como la plata y el oro, pero el cobre siguió siendo un caso abierto y disputado. Algunos experimentos sugirieron que Boron podría formar borofeno polimórfico en el cobre, mientras que otros sugirieron que podría separarse en boruros o incluso nuclearse en cristales a granel. La resolución de estas posibilidades requirió una investigación única detallada que combina imágenes de alta resolución, espectroscopía y modelado teórico.
«Lo que mis colegas experimentales vieron por primera vez fueron estos ricos patrones de imágenes de resolución atómica y firmas de espectroscopía, que requirieron mucho trabajo duro de interpretación», dijo Yakobson.
Estos esfuerzos revelaron una superestructura periódica en zigzag y firmas electrónicas distintas, las cuales se desviaron significativamente de las fases de borofeno conocidas. Una fuerte coincidencia entre los datos experimentales y las simulaciones teóricas ayudó a resolver un debate sobre la naturaleza del material que se forma en la interfaz entre el sustrato de cobre y el entorno cercano a los vacíos de la cámara de crecimiento.
Aunque el boruro de cobre no era los investigadores de materiales propuestos, su descubrimiento ofrece una visión importante de cómo Boron interactúa con diferentes sustratos de metales en entornos bidimensionales. El trabajo amplía el conocimiento sobre la formación de materiales de boruro metálicos atómicamente delgados, un área que podría informar futuros estudios de compuestos relacionados, incluidos aquellos con relevancia tecnológica conocida, como los boruros metálicos entre la cerámica de temperatura ultra alta, que son de gran interés para entornos extremos y sistemas hipersónicos.
«Es probable que el boruro de cobre 2D sea solo uno de los muchos boruros de metales 2D que se pueden realizar experimentalmente. Esperamos explorar esta nueva familia de materiales 2D que tienen un amplio uso potencial en aplicaciones que van desde el almacenamiento electroquímico de energía hasta la tecnología de la información de la información cuántica», dijo Mark Hersam, Walter P. Murphy de ciencia de materiales de ciencia de materiales e ingeniería en el noroeste de la OMS, la OMS, la OMS, la OMS, el autor de la universidad.
El descubrimiento viene poco después de otro avance relacionado con el boro del mismo equipo de teoría del arroz. En un estudio separado publicado en ACS nano los investigadores mostraron que el borófeno puede formar uniones laterales de alta calidad, de borde a borde con grafeno y otros materiales 2D, que ofrecen un mejor contacto eléctrico que incluso el oro «voluminoso». La yuxtaposición de los dos hallazgos destaca tanto la promesa como el desafío de trabajar con Boron a escala atómica: su versatilidad permite estructuras sorprendentes, pero también dificulta el control.
«Esas imágenes que inicialmente vimos en los datos experimentales se veían bastante misteriosos», dijo Yakobson. «Pero al final, todo cayó en su lugar y proporcionó una respuesta lógica – Metal Boride, Bingo! Esto fue inesperado al principio, pero ahora, está resuelto) y la ciencia puede avanzar».
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval (N00014-21-1-2679), la Fundación Nacional de Ciencias (DMR-2308691) y el Departamento de Energía de los Estados Unidos (2801SC0012547). El contenido en este documento es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente las opiniones oficiales de las organizaciones e instituciones de financiación.
