Foto: El alquimista en busca de la piedra filosofal (1771). Óleo sobre lienzo. Crédito de la fotografía: Joseph Wright de Derby / Museo y galería de arte de Derby.
¿Es posible transformar el cobre en oro? Durante siglos, los alquimistas persiguieron este sueño, sin saber que para lograrlo se necesita una reacción nuclear. En cambio, el grafito (el material de las puntas de los lápices) y el diamante están compuestos exclusivamente de átomos de carbono; su diferencia radica en la disposición atómica. Convertir el grafito en diamante exige temperaturas y presiones extremas para romper y reformar los enlaces químicos, lo que lo hace poco práctico.
Sin embargo, una transformación más viable, según el profesor Moshe Ben Shalom, director del Grupo de Materia Cuántica en Capas de la Universidad de Tel Aviv, implica reconfigurar las capas atómicas del grafito desplazándolas sutilmente contra fuerzas débiles de van der Waals.
La fuerza de van der Waals, que debe su nombre al físico holandés Johannes Diderik van der Waals (1837-1923), es una interacción entre átomos o moléculas que depende de la distancia. A diferencia de los enlaces iónicos o covalentes, estas fuerzas no surgen de la unión electrónica química, sino que son atracciones relativamente débiles que pueden alterarse fácilmente. Además, la fuerza de van der Waals disminuye rápidamente a medida que aumenta la distancia entre las moléculas que interactúan.
La investigación de la TAU, realizada por el profesor Ben Shalom junto con los estudiantes de doctorado Maayan Vizner Stern y Simon Salleh Atri de la Escuela de Física y Astronomía Raymond & Beverly Sackler de la Universidad de Tel Aviv, se publicó recientemente en Nature Review Physics (Sliding van der Waals polytypes).
Si bien este método no produce diamantes, si el proceso de conversión es rápido y eficiente, podría funcionar como una pequeña unidad de memoria electrónica. En ese caso, estos materiales “politipo” de nueva ingeniería podrían superar en valor a los diamantes y al oro.
La estudiante de doctorado Maayan Vizner Stern explica: “Al igual que el grafito, muchos materiales naturales están compuestos por capas débilmente unidas. Cada capa actúa como un ladrillo LEGO: si bien romper un solo ladrillo es difícil, separar y volver a conectar dos ladrillos es relativamente simple. De manera similar, en los materiales estratificados, los átomos prefieren posiciones de apilamiento específicas, alineándose perfectamente con los de las capas vecinas. El deslizamiento entre estas posiciones se produce en saltos minúsculos y discretos, solo una distancia atómica a la vez”.
El estudiante de doctorado Simon Salleh Atri explica: “Estamos desarrollando nuevas técnicas para cambiar estas capas y estudiar los materiales resultantes. Aplicando un campo eléctrico o presión mecánica, podemos mover las capas a distintas configuraciones estables. Como estas capas permanecen en su posición final incluso después de que se elimine la fuerza externa, pueden almacenar información y funcionar como pequeñas unidades de memoria”.
Su equipo también ha explorado cómo el número de capas afecta las propiedades de los materiales. Por ejemplo, una estructura de tres capas con dos tipos de átomos puede formar seis materiales estables distintos, cada uno con polarizaciones internas únicas. Con cinco capas, este número se eleva a 45 estructuras posibles diferentes. Al alternar entre estas configuraciones, los investigadores pueden controlar las propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas. Incluso el grafito, compuesto únicamente de carbono, puede reorganizarse en seis formas cristalinas diferentes, cada una de las cuales exhibe conductividades eléctricas, respuestas infrarrojas, magnetizaciones y propiedades superconductoras distintas.
El principal desafío radica en mantener la estabilidad del material y permitir al mismo tiempo transiciones estructurales controladas. Su reciente artículo de perspectiva resume los estudios en curso y propone nuevos métodos para refinar este mecanismo de conmutación “Slidetronics”, abriendo la puerta a aplicaciones innovadoras en electrónica, informática y más allá.
Si se siguen investigando, estos materiales deslizantes podrían revolucionar la tecnología, ofreciendo un almacenamiento de memoria más rápido y eficiente y un control sin precedentes sobre las propiedades de los materiales. La capacidad de manipular capas atómicas con precisión está abriendo una nueva era en la ciencia de los materiales, en la que los descubrimientos más valiosos pueden no provenir de la creación de oro, sino del aprovechamiento del potencial oculto de los elementos cotidianos.
