Los investigadores han creado una nueva familia de nanomateriales aleando fósforo con arsénico, cintas de material de un solo átomo de espesor que son candidatos ideales y altamente conductores para baterías, células solares y computadoras cuánticas de próxima generación. El fósforo no conduce muy bien la electricidad, lo que significa que por sí solo es de poca utilidad en aplicaciones y dispositivos prácticos. Sin embargo, investigadores del University College London (UCL) descubrieron que el fósforo se vuelve aún más útil cuando se mezcla con arsénico.
Adam Clancy, uno de los autores correspondientes del estudio, dijo: "Nuestro último trabajo en la aleación de nanocintas de fósforo con arsénico abre muchas más posibilidades, particularmente para mejorar el almacenamiento de energía en baterías y supercondensadores, y para mejorar los detectores de infrarrojo cercano utilizados en medicina".
Por nanocintas, los investigadores se refieren a cintas de fósforo de un átomo de espesor, o más precisamente, fosforeno, un material bidimensional compuesto de una sola capa de fósforo negro estratificado artificialmente, la forma más estable de fósforo. En 2019, investigadores de la UCL descubrieron el potencial de las nanocintas de fósforo. Descubrieron que agregar una capa de nanocintas de fósforo a las células solares de peróxido podría permitir que las células capturen más energía del sol.
En el estudio actual, introdujeron "trazas" de arsénico para mejorar la conductividad del fósforo. Los cristales formados a partir de escamas de fósforo y arsénico se mezclan con litio disuelto en amoníaco líquido a -58°F (-50°C). Después de 24 horas, retire el amoníaco y reemplácelo con solvente orgánico. Debido a la estructura atómica de las escamas, los iones de litio sólo pueden moverse en una dirección y no lateralmente, lo que provoca que se formen grietas en cintas. Los investigadores han creado una nueva familia de nanomateriales: nanocintas de aleación de arsénico y fósforo (AsPNR).
Descubrieron que las nanocintas de aleación de arsénico y fósforo son altamente conductoras por encima de 130 K (-226 °F/-140 °C), al tiempo que conservan las propiedades útiles de las nanocintas de fósforo puro. Una característica clave de los AsPNR es su extremadamente alta "movilidad de agujeros". Los agujeros son los compañeros inversos de los electrones en el transporte de electrones, por lo que aumentar la movilidad de los agujeros (una medida de la rapidez con la que los agujeros se mueven a través de un material) puede ayudar a aumentar la eficiencia de la transferencia de corriente.
Actualmente, las nanocintas de fósforo deben mezclarse con materiales conductores como el carbono para usarse como materiales anódicos en baterías de iones de litio o de iones de sodio. Los investigadores dijeron que debido a que los AsPNR pueden mejorar la capacidad de almacenamiento de energía de la batería y la velocidad de carga y descarga, pueden eliminar la necesidad de rellenos de carbón. Además, dicen que el uso de AsPNR en células solares mejorará el flujo de carga a través del dispositivo, aumentando así la eficiencia de las células.
"Las cintas de arsénico y fósforo también son magnéticas, y creemos que el magnetismo proviene de los átomos a lo largo de los bordes, lo que las hace potencialmente útiles también en computadoras cuánticas", dijo Clancy. "En términos más generales, este estudio muestra que la aleación es una herramienta poderosa para controlar las propiedades de esta creciente familia de nanomateriales y, por lo tanto, sus aplicaciones y potencial".
Los investigadores afirman que sus AsPNR se pueden producir a gran escala en un líquido, que luego se puede utilizar en una variedad de aplicaciones a bajo costo.
La investigación fue publicada en el Journal of the American Chemical Society.