Ensamblando nanoporos con precisión atómica en grafeno semiconductor

La presencia de poros en el grafeno puede modificar sus propiedades básicas, empezando por hacerlo permeable y útil como tamiz. Se trata de un cambio de estructura que, combinado con las propiedades intrínsecas de este material de un átomo de grosor y más fuerte que el diamante, lo convierte en un excelente candidato para desarrollar filtros más duraderos, selectivos y energéticamente eficientes para sustancias extremadamente pequeñas, como gases de efecto invernadero, sales o biomoléculas.

CesarMoreno2-nanoporos-grafeno.pngSe produce un segundo cambio importante, quizás menos intuitivo, cuando el espaciado entre los poros queda también reducido a unos pocos átomos. El grafeno pasa de ser un semimetal a un semiconductor, lo cual abre la puerta a su uso en dispositivos electrónicos, donde sustituiría los componentes basados en silicio más voluminosos y rígidos que se usan hoy en día.

No obstante, si bien todo eso es posible en teoría, producir un material con estas propiedades requiere de una precisión que todavía no está al alcance de las técnicas actuales de fabricación y probablemente nunca lo estará. El problema es la forma de abordarlo: perforar los poros en un material de un átomo de grosor es una tarea de enorme complejidad. Por eso en el presente trabajo los investigadores adoptan una estrategia “bottom up” (“de abajo hacia arriba”) basada en los principios del autoensamblado molecular y de polimerización en 2D. Consiguen así construir la malla de grafeno con los nanoporos ya integrados casi desde cero.

Para que esta estrategia funcione se precisa una molécula precursora muy específica, diseñada para responder ante determinados estímulos, que se utilizará para ensamblar un gran puzzle. En este trabajo los precursores se diseñaron para ser ensamblados formando un grafeno nanoporoso mediante el ya mencionado método “bottom up”. Las moléculas precursoras se sometieron a varias rondas de calentamiento a altas temperaturas sobre una superficie de oro que sirvió de catalizador de las reacciones mediante las que las moléculas polimerizaron formando “nanotiras” de grafeno. Estas estructuras se enlazaron después lateralmente, consiguiendo así la estructura de malla con nanoporos de tamaño y espaciado uniforme.

El resultado de este proceso es un nuevo tipo de grafeno que presenta unas propiedades eléctricas parecidas a las del silicio que, además, se puede usar como un tamiz molecular altamente selectivo. Juntas, estas dos propiedades apuntan al desarrollo de dispositivos que actúen simultáneamente como filtro y sensor permitiendo no solo la separación de moléculas específicas, sino también bloquear y/o monitorear el paso de dichas moléculas por los nanoporos usando un campo eléctrico. Esta señal eléctrica permitiría obtener información cualitativa y cuantitativa sobre qué moléculas pasan en cada momento, algo que podría aplicarse por ejemplo en secuenciadores de DNA más eficientes.

Así pues, las aplicaciones de una malla de grafeno nanoporoso con precisión atómica son numerosas y variadas. Van desde medir y combatir la presencia de elementos contaminantes hasta la desalinización de aguas, pasando por aplicaciones biomédicas en las que una membrana tan fina, flexible y biocompatible se podría usar para recuperar la función de órganos como el riñón, el filtro natural por excelencia.

César Moreno, Manuel Vilas-Varela, Bernhard Kretz, Aran Garcia-Lekue, Marius V. Costache, Markos Paradinas, Mirko Panighel, Gustavo Ceballos, Sergio O. Valenzuela, Diego Peña, and Aitor Mugarza. Bottom-up synthesis of multifunctional nanoporous graphene. Science, (Vol 360, Issue 6385) 13 April 2018. DOI : 10.1126/science.aar2009.

Referencias a este trabajo en medios generalistas.