La cinta molecular promete una transferencia y ampliación fluidas de materiales 2D

La cinta molecular avanzada facilita la transferencia de materiales 2D frágiles, abriendo puertas a la producción a escala industrial.

Los materiales ultrafinos que se consideran bidimensionales tienen sólo unos pocos átomos de espesor y, a esa escala, se comportan de maneras sorprendentes. El grafeno, por ejemplo, es grafito ultrafino, el mismo material que se utiliza en los lápices. Pero una vez cortadas en rodajas de tamaño nanométrico, son más fuertes que el acero en peso y son uno de los mejores materiales para conducir electricidad.

Al igual que ocurre con el grafeno y muchos otros materiales 2D, la misma característica que los hace tan atractivos (su grosor) también obstaculiza la producción a gran escala. Esto se debe a que los materiales 2D son frágiles y susceptibles a sufrir daños cuando los investigadores intentan moverlos o utilizarlos en el dispositivo.

Para superar este problema y desbloquear el potencial de los materiales 2D para la producción comercial, los investigadores desarrollaron recientemente una «cinta molecular» que se adhiere suavemente a materiales ultrafinos y los libera selectivamente cuando es necesario utilizando únicamente luz ultravioleta.

Los materiales prometedores todavía están atrapados en el laboratorio.

«La diversidad de materiales 2D ha aumentado dramáticamente desde el aislamiento del grafeno en 2004, y los materiales cubren una gama completa de propiedades electrónicas y magnéticas», explicó Hiroki Ago, profesor de la Universidad de Kyushu y autor principal del artículo. el estudiopublicado en Electrónica de la naturalezadescribiendo el nuevo adhesivo.

El laboratorio Ago ha pasado 10 años desarrollando técnicas de síntesis para una variedad de materiales 2D, como grafeno de alta calidad y semiconductores metálicos 2D. «Muchos investigadores nos han solicitado muestras, pero la mayoría ha tenido problemas para transferir estos materiales bidimensionales a sus sustratos», explicó. «Debido a la naturaleza delgada y delicada de los materiales 2D, son muy difíciles de transportar para investigación científica y aplicaciones industriales», dijo, lo que significa que muchos materiales prometedores están atrapados en los laboratorios en los que se producen.

«Por lo tanto, pensé que si pudieran transferir fácilmente materiales 2D a sus sustratos específicos, la investigación y las aplicaciones de materiales 2D mejorarían enormemente», dijo Agu.

control de viscosidad

Para que la cinta sea fácil y sencilla de usar, Ago y sus colegas crearon un material que puede adherirse selectivamente y romper materiales 2D utilizando luz ultravioleta. Esto reduce la posibilidad de daños al transferir materiales 2D de una superficie a otra.

La base de la nueva cinta es una fina capa hecha de polímero plástico que le da a la cinta suficiente rigidez para ser estable y suficiente flexibilidad para no dañar los materiales durante el transporte. Luego viene una mezcla especial de polímeros (estructuras largas en forma de cadenas hechas de moléculas repetidas) que se unen de forma segura a los materiales 2D.

«Cuando se adhiere por primera vez al material 2D, la capa adhesiva es lo suficientemente suave, lo que permite un contacto uniforme con la superficie y facilita la transferencia completa», dijo Agu.

Sin embargo, dentro de esta mezcla adhesiva hay algunos polímeros sensibles a los rayos UV que, cuando se exponen a la luz UV, se reticulan, lo que significa que forman una serie de enlaces apretados y repetidos en todo el polímero, lo que hace que la capa adhesiva se endurezca. Cuando la cinta se endurece, se separa limpiamente del material 2D y lo libera sin necesidad de un procesamiento manual o químico destructivo para retirar la cinta.

BRendimiento mejor de lo esperado

Al manipular la composición de los polímeros en el adhesivo, el equipo pudo ajustar el grado de adhesión y liberación de la cinta a una variedad de materiales 2D diferentes. «Esta adaptabilidad garantiza la versatilidad de los casetes UV y su potencial en una amplia gama de aplicaciones», dijo Agu.

Las pruebas han demostrado que la cinta reduce significativamente la cantidad de residuos y la limpieza requerida después de las transferencias y produce transferencias más uniformes con menos rasgaduras que los métodos estándar. «Permitió la transferencia de áreas más grandes hasta el tamaño de obleas de 4 pulgadas, lo cual es esencial para la adopción de materiales 2D a niveles industriales», dijo Agu.

La cinta sorprendió a todos cuando el equipo probó escenarios más allá de sus diseños iniciales. Resultó exitoso al transferir materiales 2D a superficies frágiles o curvas, y el equipo pudo colocar con precisión diferentes capas de materiales 2D. Mezclar y combinar capas y controlar los ángulos entre ellas, conocidos como ángulos de torsión, puede mejorar en gran medida las propiedades eléctricas, lo que lleva a estados superconductores, por ejemplo.

El equipo también demostró que pueden cortar cinta fácilmente y transferir diferentes formas y tamaños, lo que permite a los investigadores mover y colocar selectivamente hojas 2D de tamaño personalizado con bastante facilidad. Esta capacidad de personalización debería reducir la cantidad de adhesivo requerido y reducir los costos de producción para la industria.

El equipo ahora está trabajando para mejorar la composición de la capa adhesiva, ya que todavía quedan algunas arrugas y burbujas. También se están haciendo esfuerzos para aumentar los volúmenes y transportar materiales con estampados 2D en un solo día.

Referencia: Hiroki Ajo, et al. Los materiales 2D están listos para transferir mediante cintas adhesivas ajustables., Electrónica de la naturaleza (2024). doi: 10.1038/s41928-024-01121-3

Crédito de la imagen destacada: Hiroki Agu et al. Electrón nacional (2024)