Nous materials basats en la nanociència

¿Podem fabricar materials de grandària nanomètrica amb propietats millors que els materials convencionals? ¿Com podem veure i manipular aquests nanomaterials per a integrar-los en un dispositiu? La resposta a aquestes preguntes es troba en una nova àrea d’investigació que es denomina Nanociència, que permet al físic manipular i mesurar les propietats d’un sol àtom o d’una sola molècula. Per part seua, el químic, com a arquitecte de la matèria, és capaç de dissenyar i crear materials cada vegada més complexos a partir d’aquests blocs atòmics o moleculars. En el món nanoscòpic, aquests materials es comporten de forma diferent de com ho fan en el nostre món macroscòpic. Aprofitar aquestes possibilitats obri la porta a una nova era basada en el disseny de nous nanomaterials amb noves propietats i milloren les prestacions dels actuals. En aquest article il·lustraré amb alguns exemples aquestes possibilitats, així com les aplicacions que s’obrin en àrees estratègiques com les tecnologies de la informació i les comunicacions, o l’emmagatzematge de l’energia.

 

Molècules per a l’emmagatzematge d’informació i per a la computació quàntica

Les memòries electròniques són essencials en la nostra vida diària per a emmagatzemar informació. Augmentar la seua eficiència i velocitat i disminuir-ne la grandària són alguns dels desafiaments tecnològics més importants a què ens enfrontem en l’actualitat. En aquest context, l’electrònica molecular ofereix una eina molt elegant per a miniaturitzar aquests dispositius, ja que existeixen molècules que poden realitzar funcions electròniques. Un exemple paradigmàtic el constitueixen les molècules d’equilibri d’espín.[1] Mitjançant el disseny químic, es pot aconseguir que aquestes molècules magnètiques presenten a temperatura ambient dos estats electrònics diferents (alt espín i baix espín). Aquests estats es poden controlar mitjançant l’aplicació d’un estímul extern com la temperatura, la llum o la pressió. Per tant, són susceptibles de ser utilitzades com a bits de memòria de grandària nanomètrica, la qual cosa representa un avanç significatiu respecte de les memòries magnètiques dels discs durs dels ordinadors actuals, que tenen una grandària de micres, és a dir, de milers de nanòmetres. El problema principal que limita el desenvolupament d’aquestes molècules biestables per a aquesta mena d’aplicació radica en la dificultat a detectar aquests estats d’espín en un dispositiu microelectrònic. De fet, si contactem el sistema molecular entre dos elèctrodes, el corrent que circularà al seu través serà indetectable, fins i tot en l’escala nanomètrica, ja que aquests materials moleculars són aïllants de l’electricitat. Una solució, que ha sigut recentment proposada pel nostre grup per a superar aquesta limitació, consisteix a depositar aquestes molècules sobre grafé —un material bidimensional conductor de l’electricitat format per una monocapa de carbonis—. Això permet utilitzar al material bidimensional com a sensor de l’estat d’espín del sistema molecular ja que el corrent elèctric que circula a través del grafé està influïda per la presència del sistema molecular (Figura 1).

En l’exemple anterior, la molècula d’equilibri d’espín constitueix un exemple de «bit clàssic», ja que aquesta molècula és biestable i pot trobar-se en dos estats diferents. Aquests bits són les unitats elementals que conformen les memòries dels nostres ordinadors actuals. No obstant això, la mecànica quàntica permet que en un sistema quàntic els bits possibles siguen tant aquests dos estats com les seues superposicions, la qual cosa augmenta enormement la capacitat d’emmagatzematge i processament de la informació. Aquestes unitats elementals s’anomenen «bits quàntics» (en anglés, qubits) i constitueixen la base de les tecnologies quàntiques de la informació. Actualment, aquest és un dels camps que suscita més atenció en la comunitat científica per les seues enormes possibilitats, tant per a la comunicació segura de la informació (encriptat) com per al desenvolupament d’una nova generació d’ordinadors. Una aproximació molecular als qubits la proporcionen les molècules magnètiques. A diferència dels materials magnètics convencionals, aquesta aproximació permet en primer lloc obtindre espín qubits moleculars amb coherències quàntiques millorades gràcies al disseny químic. En segon lloc, permet també preparar molècules que continguen dos o més qubits en la mateixa molècula, la qual cosa facilita la construcció de portes quàntiques amb coherències elevades. Finalment, la integració de les molècules en les superfícies amb precisió nanomètrica pot facilitar la incorporació d’aquestes unitats quàntiques en dispositius, de manera que permeten l’escalat per a formar arquitectures de computació quàntica més complexes. Aquesta aproximació molecular està sent desenvolupada a Europa pel nostre grup i per altres grups espanyols i europeus integrats en l’Institut Europeu de Magnetisme Molecular.[2] Els avanços obtinguts han demostrat que, gràcies a la naturalesa microscòpica i la reproduïbilitat en la síntesi de les molècules, el potencial d’aquesta aproximació tant en termes d’escalabilitat com en reproduïbilitat és superior a la de les tecnologies quàntiques actuals. Algunes molècules magnètiques rellevants que il·lustren aquesta possibilitat es representen en la Figura 2.

Nanomaterials híbrids per a l’emmagatzematge de l’energia

La demanda per a l’emmagatzematge d’energia ha augmentat exponencialment en els últims anys. Actualment, hom busca materials més eficients i de baix cost per a substituir els materials crítics que s’empren en les bateries de liti convencionals o en els catalitzadors utilitzats per a obtindre hidrogen a partir de la descomposició de l’aigua. En aquest sentit, una alternativa interessant se centra en el desenvolupament de supercondensadors (també coneguts com supercapacitors) orgànics basats en carboni. Aquests dispositius electroquímics són més segurs i reciclables que les bateries i, a més, permeten cicles de càrrega i descàrrega més ràpids. La seua principal limitació, en comparació amb les bateries, és la menor densitat d’energia que poden emmagatzemar. Una estratègia que s’està desenvolupant actualment per a resoldre aquest problema consisteix en la preparació de supercondensadors híbrids que aprofiten, a més d’estructures carbonoses, nanoestructures inorgàniques formades per metalls abundants, com el ferro o el níquel, com a font de capacitància. A més de proporcionar una major densitat energètica, aquests nanomaterials es poden processar en medis aquosos, amb la qual cosa s’evita l’ús de dissolvents orgànics i es minimitza l’impacte ambiental.

Un exemple excel·lent que il·lustra aquest tipus d’aproximació ha estat desenvolupat recentment pel nostre grup. Així, hem preparat un nou tipus de supercondensador híbrid en el qual els elèctrodes estan formats per nanopartícules magnètiques de níquel i ferro envoltades per capes de grafé. A escala de laboratori, aquest dispositiu presenta densitats energètiques molt competitives. No obstant això, el més interessant d’aquests nanomaterials és que les prestacions es poden millorar encara més si durant els cicles de càrrega i descàrrega apliquem un camp magnètic extern moderat. Això ha sigut possible gràcies a la incorporació a l’interior del material d’aquestes nanopartícules magnètiques que, a més de ser electroactives, concentren el camp magnètic en el seu entorn, la qual cosa permet que l’aplicació d’un camp magnètic moderat siga suficient per a modificar la reactivitat química i les propietats del material compost. Aquest descobriment ha estat patentat i publicat [3] i obri la porta a la generació d’un nou tipus de dispositius electroquímics intel·ligents, facilitant la transició cap a la fabricació industrial de dispositius per a l’emmagatzematge d’energia més eficients, segurs i sostenibles.

 

Conclusions

En aquest article he tractat d’il·lustrar amb alguns exemples les enormes possibilitats que ofereix la Nanociència com a disciplina generadora de nous nanomaterials. En particular, els exemples utilitzats s’han centrat en nanomaterials magnètics. En molts aspectes, aquesta àrea es troba en les beceroles. Així, el químic sap hui com dissenyar molècules cada vegada més complexes i com aprofitar els processos de reconeixement i acte-acoblament molecular per a crear a partir d’aquests blocs nous materials funcionals o per a contactar aquestes entitats moleculars amb materials de baixa dimensionalitat com el grafé. No obstant això, en augmentar la complexitat estructural i electrònica del material, també augmenta la dificultat per a obtindre’l. Cal esperar que la imaginació del químic i la seua passió per crear objectes cada vegada més complexos proporcione en el futur molts més exemples de materials amb funcionalitats avançades. Evidentment, els assoliments en aquest camp depenen en gran manera d’un esforç conjunt de químics, físics i enginyers.

 

Referències bibliogràfiques

[1] E. Coronat: Nature Rev. Mater. 5, 87 (2020)

[2] A. Gaita-Ariño, S. Hill, F. Luis, E. Coronat: Nature Chem. 11, 301 (2019)

[3] J. Romero et al.: Adv. Mater. 31, 1900189 (2019)

 

Quadern número 496. Novembre 2023.