Els superpoders dels materials ultraprims

La descoberta de nous materials prims i plans pot tenir un gran impacte en àmbits com l’emmagatzematge d’energia i la recerca de nous combustibles que substitueixin els derivats del petroli

AMOS ZEEBERG / THE NEW YORK TIMES

Aquests últims anys els dispositius connectats a internet han penetrat amb força en una colla de nous territoris: rellotges de polsera, frigorífics, timbres, cotxes... Però, per a alguns investigadors, l’internet de les coses encara no ha arribat prou lluny.

“¿I si poguéssim incorporar l’electrònica absolutament a tot arreu? -preguntava fa poc Tomás Palacios, enginyer elèctric del Massachusetts Institute of Technology (MIT)-. ¿I si captéssim energia mitjançant cèl·lules fotovoltaiques a les autopistes i inseríssim sensors de tensió als túnels i ponts per controlar l’estat del formigó? ¿I si, quan miréssim a l’exterior, veiéssim la previsió meteorològica a la finestra? ¿I si a l’americana hi portéssim dispositius electrònics capaços de controlar-nos la salut?”

Un nou material

El gener del 2019 Tomás Palacios i els seus col·laboradors van publicar un article a la revista Nature en què descrivien un invent que ens ha d’acostar una mica més a aquest futur: una antena capaç d’absorbir la sopa de senyals de wifi, Bluetooth i mòbils, cada vegada més espessa, i convertir-la en energia elèctrica utilitzable. La clau d’aquesta tecnologia és un material nou, molt prometedor, anomenat disulfur de molibdè, o MoS 2, que es pot estendre en una capa de només tres àtoms de gruix. Difícilment es poden fer coses més primes en el món de l’enginyeria.

I el que és prim és útil. Per exemple, amb una capa de MoS2 es podria embolicar un escriptori i convertir-lo en un carregador d’ordinador portàtil sense cables d’alimentació. Segons Tomás Palacios i altres investigadors, els materials bidimensionals seran la pedra angular de l’internet de les coses. Es “pintaran” als ponts i constituiran els sensors que vigilaran la tensió i les esquerdes. Cobriran les finestres amb capes transparents que només seran visibles quan mostrin informació. I, si té èxit, l’amortidor d’ones radioelèctriques del seu equip alimentarà aquests components electrònics, que seran presents a tot arreu.

“Tot plegat ha despertat un interès enorme -comenta Jeff Urban, investigador de materials 2D al centre de recerca anomenat Molecular Foundry, del Lawrence Berkeley National Laboratory, a Califòrnia-. No es pot dir de cap altra manera”.

La utilitat de les coses planes

La moda de la química 2D va començar el 2004, quan dos investigadors de la Universitat de Liverpool van enganxar tires de cel·lo a uns trossos de grafit. Quan les van retirar, hi van quedar adherides unes capes de carboni amb el gruix d’un àtom, de les quals van extreure grafè. El grafè té una composició idèntica a la del grafit i el diamant, però el fet de ser tan prim li confereix propietats completament diferents: és flexible, transparent, molt resistent i un excepcional conductor elèctric i tèrmic.

Els investigadors aviat van començar a utilitzar-lo per fer o renovar tota mena de gadgets. Diverses empreses han tret fa poc al mercat uns auriculars amb diafragmes -les membranes vibradores que produeixen el so en els dispositius d’àudio- fets amb grafè. Hi ha fabricants de pintures que afegeixen grafè a les seves fórmules per aconseguir uns recobriments resistents. L’octubre passat Huawei va presentar el Mate 20 X, un mòbil gros i potent que porta grafè per refrigerar el processador. Samsung ha recorregut al grafè per desenvolupar una bateria de càrrega més ràpida que potser aviat incorporarà als mòbils.

Nous combustibles

Jeff Urban treballa amb materials 2D per millorar les piles de combustible, que han despertat força interès com a possible sistema de propulsió net per a vehicles ecològics. La majoria de piles de combustible generen electricitat a partir de l’hidrogen, però aquest gas, fins i tot sotmès a altes pressions, ocupa molt més espai que una quantitat semblant de gasolina, i això el fa poc pràctic per als automòbils.

Ara, però, el doctor Urban està inserint àtoms d’hidrogen en sòlids, que són molt més densos que els gasos. Al març, ell i els seus col·legues van anunciar un nou suport d’emmagatzematge: uns cristalls minúsculs de magnesi embolcallats per unes tires estretes que van anomenar nanocintes de grafè. Han descobert que l’hidrogen emmagatzemat d’aquesta manera pot aportar gairebé la mateixa quantitat d’energia que el mateix volum de gasolina, però amb un pes molt inferior.

Urban ha comparat aquest procés amb la cocció de galetes amb trossets de xocolata: el magnesi és el trosset de xocolata -la part clau- perquè conté l’hidrogen. “Volem una galeta amb la màxima quantitat possible de trossets de xocolata, i la nanocinta de grafè és una massa excel·lent per fer galetes. La nanocinta també ajuda l’hidrogen a entrar i sortir ràpidament dels cristalls de magnesi i alhora barra el pas a l’oxigen, que competeix amb l’hidrogen per apoderar-se de l’espai que hi ha a l’interior dels cristalls.

El doctor Urban observa de prop el reialme dels materials ultraprims al sincrotró Advanced Light Source, un laboratori cobert per una cúpula amb una gran vista panoràmica de San Francisco i la seva badia. A les seves instal·lacions els electrons s’acceleren fins a gairebé la velocitat de la llum i generen potents raigs X amb què es pot investigar amb gran precisió l’estructura atòmica dels materials. Allà el doctor Urban i els seus col·legues han esbrinat amb exactitud de quina manera el grafè embolcalla el magnesi i els estrets enllaços que hi estableix. Creuen que aquests enllaços són el que manté estable aquest material compost durant llargs períodes, un tret important de cara al món real.

Sandvitxos microscòpics

A tot arreu els investigadors es dediquen a apilar capes de materials ultraprims per formar blocs tridimensionals que tenen propietats diferents dels materials 2D i 3D convencionals. L’any passat, Kwabena Bediako, químic de la Universitat de Califòrnia, a Berkeley, va publicar un article a la revista Nature en què explicava que ell i els seus col·legues havien inserit ions de liti entre moltes capes de materials bidimensionals, com ara el grafè: “Comences amb un tros de pa, hi escampes una mica de maionesa, al damunt hi poses formatge i al damunt una mica de pernil. Pots fer-ho tantes vegades com vulguis i crees un sandvitx”. Modificant les diferents capes de la pila tridimensional, els investigadors van ser capaços d’ajustar el mecanisme a partir del qual els materials emmagatzemen el liti, cosa que pot portar al desenvolupament de noves bateries de gran capacitat per als dispositius electrònics.

Xining Zang, investigadora de postdoctorat en ciències de materials al MIT, ha descobert fa poc un sistema sorprenentment senzill per apilar materials 2D: consisteix en l’ús de gelatina, l’ingredient que configura l’estructura de la gelatina Jell-O i dels núvols (la llaminadura). Xining Zang i els seus col·legues van combinar gelatina, ions metàl·lics i aigua. La gelatina es va organitzar formant capes, amb la qual cosa els ions metàl·lics es van distribuir també en capes. Aleshores, una part del carboni de la gelatina va reaccionar amb el metall per produir làmines bidimensionals de carburs metàl·lics; aquestes làmines funcionaven com a catalitzadors que ajudaven a descompondre l’aigua en oxigen i hidrogen, un procés que podria servir per generar electricitat a les piles de combustible.

“No puc dir que la tècnica fos rudimentària perquè, quan hi penses, t’adones que en realitat era molt elegant -comenta Nate Hohman, científic del Molecular Foundry i un dels autors de l’article-. Es tracta d’un procediment que se situa exactament en el punt de contacte entre l’alta i la baixa tecnologia”.

Quan tot és cada vegada més prim

Un lloc on els materials bidimensionals estan triomfant és a Singapur, al laboratori que l’investigador Liu Zheng té a la Universitat Tecnològica de Nanyang. Singapur és coneguda com la Ciutat Jardí: aquest diminut país ha omplert de plantes tot el seu territori, incloent-hi la mateixa universitat, que ha instal·lat jardins a tots els espais buits que envolten els moderns edificis. Liu Zheng considera que la seva investigació és també una mena de cultiu, tot i que amb algunes diferències. “Soc jardiner. Aquí hi ha un jardí 2D amb flors de tota mena. Totes són boniques”.

L’any passat el doctor Zheng i els seus col·legues van fer créixer espectacularment aquest jardí creant molts materials 2D nous a partir d’una classe de compostos anomenats calcogenurs de metalls de transició o TMCs. La clau va ser el descobriment que un material tan quotidià com la sal de taula es podia utilitzar per rebaixar la temperatura a què acostumen a fondre’s els metalls. Això permetia que els metalls es vaporitzessin i es dipositessin en pel·lícules ben primes. Ho explica Zheng: “Un dia un estudiant em va dir: «Puc fer tots els calcogenurs de metalls de transició amb sal». Em va sorprendre molt. Feia molts anys que era el meu somni”.

Diverses prestatgeries del laboratori del doctor Zheng són plenes de contenidors hermètics i transparents. A dintre hi ha oblies de silici on es dipositen els materials 2D. Aquestes pel·lícules solen tenir forma de triangle o hexàgon, segons les estructures geomètriques dels cristalls de cada material. Quan s’han dipositat les pel·lícules, l’equip del doctor Zheng es trasllada a un laboratori que hi ha allà a prop per estudiar detingudament les estructures que en resulten. Presideix l’habitació un microscopi electrònic de transmissió de 3,5 metres d’altura i una tona i mitja de pes: un dispositiu gegantí per a la visualització d’àtoms.

Materials amb futur

Molts calcogenurs de metalls de transició, incloent-hi el MoS 2 que utilitza el doctor Palacios per absorbir ones electromagnètiques, tenen un gran potencial per a la indústria. Amb el selenur bidimensional de platí fet al laboratori de Singapur sortirien més barates les piles de combustible, que normalment utilitzen un metall preciós com el platí per separar el protó i l’electró de l’àtom d’hidrogen. Segons el doctor Zheng, l’adopció de selenur bidimensional de platí podria reduir un 99% la quantitat de platí que s’està utilitzant actualment.

La Universitat Tecnològica de Nanyang està en converses amb diferents fabricants de cara a la possible comercialització d’aquesta tecnologia. El futur bidimensional encara no és aquí, però cada vegada sembla més a prop. “Crec que aquest material té un gran potencial comercial -afirma el doctor Zheng-. Podria tenir enormes repercussions en el mercat”.

Traducció de Lídia Fernández Torrell  /  Copyright The New York Times