Investigadores del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST) han producido en masa un material sintético que podría tener aplicaciones directas en futuros diseños de microprocesadores. Un equipo dirigido por Seung-Cheol Lee et al. Ahora ha resuelto el último obstáculo para la producción en masa de un compuesto sintético conocido como MXene, que permite la ingeniería a nivel atómico de las propiedades electrónicas de un material (y otras). ¿El obstáculo? Los antiguos problemas de fabricación relacionados con el control de calidad y el rendimiento.
No podemos hablar de MXene sin saber que la palabra no se refiere tanto a este material concreto como a un clase de materiales. MXenes, como se conoce a esta clase de materiales, es un compuesto bidimensional de capas atómicamente delgadas de carburos, nitruros o carbonitruros. A través de un complejo proceso de grabado, que exige preparar los compuestos de antemano, la fabricación ahora puede producir materiales diseñados a nivel atómico.
Sintetizar MXenes requiere mezclar compuestos a nivel atómico, dejarlos reorganizarse y ayudar en su reorganización. La reorganización puede ocurrir mediante procesos como sinterización, grabado, exfoliación (donde ciertas partículas subatómicas que no nos interesan se eliminan del compuesto), preparándolo para la intercalación (la introducción de cationes extraños con carga positiva que mejoran la conductividad eléctrica). y delaminación (donde las capas atómicas se fracturan en pedazos más útiles y similares al Tetris).
Los ingredientes que elijamos para esta fase inicial de mezcla determinarán las propiedades eléctricas finales de nuestro material, como una menor resistencia eléctrica (particularmente interesante para nuestros propósitos de tener la CPU más rápida y eficiente), mejorando las capacidades de transferencia de iones y otros beneficios más exóticos. .
Entonces, los MXenes suelen sufrir un sinterización reacción, un proceso mediante el cual se calientan o se someten a tal presión que los compuestos se reorganizan de una manera útil para nuestras necesidades sin cambiar sus propiedades fundamentales. Para algunos materiales, este punto es lo más cercano posible a la licuefacción: es la precisión del equilibrio sobre un solo pie. A excepción de estos materiales, esta precisión atómica permite la creación de nanoláminas para nuestro compuesto elegido que miden solo 1 nanómetro de espesor.
El proceso de fabricación de MXene de los investigadores coreanos se realiza a partir de un compuesto derivado del semiconductor siliceno (Sc2CF2), Sc2CO2 y otro semiconductor en Sc2C(OH)2. Estos elementos (compuestos de partículas fundamentales) han mostrado interesantes propiedades electrónicas y ópticas. Estos podrían desbloquear aplicaciones en baterías y supercondensadores, en parte mejorando la estabilidad y el rendimiento de electrodos, electrolitos y separadores, pero también podrían usarse como materiales potenciales para futuros procesos de fabricación de semiconductores cuando se apliquen a transistores y otros bits.
Pero un problema con la fabricación de porciones 2D, delgadas como un átomo, de compuestos dispuestos a nivel atómico es que también es extremadamente difícil verificar si las disposiciones subatómicas son correctas: es difícil ver algo tan minúsculo. Hasta ahora, esta dificultad para aplicar el control de calidad a los MXenes fabricados significaba que era simplemente demasiado lento verificar si estas capas funcionaban; Como se lee en un comunicado sobre la investigación dirigida por Seung-Cheol Lee: «Se necesitan varios días para analizar las moléculas en la superficie, incluso con un microscopio electrónico de alto rendimiento».
El requisito de varios días para inspeccionar una sola capa compuesta nunca sería suficiente para la producción en masa. La solución vino de la física: al escanear la superficie de las nanohojas en busca del factor de dispersión Hall (a través de un algoritmo patentado), los investigadores pueden identificar si los materiales de las nanohojas se encuentran dentro de uno de dos posibles campos de aplicación. Dependiendo de las matemáticas, los materiales con un coeficiente de factor Hall inferior a 1 se pueden aplicar a «transistores de alto rendimiento, generadores de alta frecuencia, sensores de alta eficiencia y fotodetectores»; si es superior a 1, «se puede aplicar a materiales termoeléctricos y sensores magnéticos».
La capacidad de diferenciar entre ambos (y hacerlo simplemente aplicando un algoritmo) es el puntapié inicial para la fabricación en masa.
«A diferencia de estudios anteriores que se centraron en la producción y las propiedades del MXene puro, este estudio es importante porque proporciona un nuevo método para el análisis molecular de la superficie para clasificar fácilmente el MXene fabricado», dijo Seung-Cheol Lee, director de IKIST. «Al combinar este resultado con estudios experimentales, esperamos poder controlar el proceso de producción de MXene, que se utilizará para producir MXene en masa con una calidad uniforme».
Los materiales de clase MXene abren la puerta a compuestos sintéticos prácticos diseñados para ofrecer algo cerca con las especificaciones ideales que querríamos para nuestros transistores, electrodos y otros herramientas de diseño tener. Queda por ver cuánto tiempo esperaremos para obtener productos que aprovechen esta combinación particular de compuestos, MXene. Si bien la puerta al control de calidad y la verificación del rendimiento ahora está abierta, una cosa es encontrar esa capacidad y otra es invertir la cantidad de recursos necesarios para fabricarla a escala. Pero si el material realmente hace lo que se supone que debe hacer (mejorar la electrónica), entonces lo queremos más pronto que tarde. La Ley de Moore parece necesitar todo el ingenio posible.