Fósforo negro: el nacimiento de un nuevo material maravilloso

En los últimos años, los cristales bidimensionales se han convertido en algunos de los nuevos materiales más emocionantes para jugar. En consecuencia, los científicos de materiales se han desesperado por descubrir las extraordinarias propiedades del grafeno, el nitruro de boro, el disulfuro de molibdeno, etc.

Un recién llegado a este grupo es el fósforo negro, en el que los átomos de fósforo se unen para formar una hoja arrugada bidimensional. El año pasado, los investigadores construyeron un transistor de efecto de campo con fósforo negro y demostraron que funcionaba notablemente bien. Esta investigación sugirió que el fósforo negro podría tener un futuro brillante en los dispositivos nanoelectrónicos.

Pero hay un problema. El fósforo negro es difícil de producir en grandes cantidades. Hoy, Damien Hanlon en Trinity College Dublin en Irlanda, y varios amigos, dicen que han resuelto este problema.

Estos chicos han perfeccionado una forma de hacer grandes cantidades de nanoláminas de fósforo negro con dimensiones que pueden controlar. Y han utilizado esta capacidad recién descubierta para probar el fósforo negro en una serie de aplicaciones nuevas, como un sensor de gas, un interruptor óptico e incluso para reforzar materiales compuestos para hacerlos más resistentes.

A granel, el fósforo negro está formado por muchas capas, como el grafito. Entonces, una forma de separar hojas individuales es mediante exfoliación, simplemente quitando capas con cinta adhesiva u otros materiales. Esa es una tarea que requiere mucho tiempo y limita severamente las posibles aplicaciones.

Así que Hanlon y compañía han estado jugando con otro enfoque. Su método consiste en colocar el trozo de fósforo negro en un disolvente líquido y luego bombardearlo con ondas acústicas que sacuden el material.

El resultado es que la masa a granel se separa en una gran cantidad de nanoláminas que el equipo filtra por tamaño usando una centrífuga. Eso deja nanohojas de alta calidad que consisten en solo unas pocas capas. La exfoliación en fase líquida es una técnica poderosa para producir nanoláminas en cantidades muy grandes, dicen.

Un problema potencial con las nanoláminas de fósforo negro es que se degradan rápidamente cuando entran en contacto con agua u oxígeno. Entonces, uno de los avances que ha hecho el equipo es predecir que ciertos solventes deberían formar una capa de solvatación alrededor de la lámina, lo que evita que el oxígeno u otras especies oxidantes lleguen al fósforo.

El equipo usa N-ciclohexil-2-pirrolidona o CHP como solvente y, debido a esto, las nanoláminas tienen una vida sorprendentemente larga.

La gran ventaja del fósforo negro sobre el grafeno es que tiene una banda prohibida natural que los físicos pueden explotar para fabricar dispositivos electrónicos, como transistores. Pero Hanlon y compañía dicen que la nueva disponibilidad de nanoláminas de fósforo negro les ha permitido probar también otras ideas.

Por ejemplo, agregaron las nanoláminas a una película de cloruro de polivinilo, duplicando así su resistencia y aumentando seis veces su resistencia a la tracción. ¡Así que no son solo los alótropos de carbono los que pueden aumentar la fuerza!

También determinaron la respuesta óptica no lineal de las nanoláminas a un láser pulsado midiendo la cantidad de luz que se transmite. Resulta que la cantidad de luz que absorbe el fósforo negro disminuye a medida que aumenta la intensidad, una propiedad conocida como absorción saturable. Además, el fósforo negro es mejor incluso que el grafeno.

Finalmente, midieron la corriente a través de las nanoláminas mientras las exponían a amoníaco. Descubrieron que la resistencia del material aumentaba cuando entraba en contacto con el amoníaco, probablemente porque el amoníaco dona electrones que neutralizan los agujeros en las láminas de fósforo negro.

Eso convierte inmediatamente al fósforo negro en un detector de amoníaco decente. Hanlon y compañía dicen que el material podría detectar amoníaco en niveles de alrededor de 80 partes por billón.

Todo esto podría marcar un cambio de paso interesante en la investigación asociada con el fósforo negro. Muchas personas habrán visto la emoción asociada con las notables propiedades del grafeno. Si el fósforo negro es la mitad de notable, debería haber un futuro interesante para los científicos de materiales.

Ref: arxiv.org/abs/1501.01881 : Exfoliación líquida de fósforo negro estabilizado con solvente: aplicaciones más allá de la electrónica

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