Unos investigadores que buscaban un nuevo superconductor con un comportamiento poco convencional descubrieron inesperadamente un material de sólo cuatro átomos de espesor que permite estudiar el movimiento de las partículas cargadas en sólo dos dimensiones. 

En un artículo publicado en la revista Nature Materials, el equipo de la Universidad de Northwestern y el Laboratorio Nacional de Argonne que está detrás del descubrimiento explica que estos estudios podrían impulsar la invención de nuevos materiales para diversos dispositivos de conversión de energía.

El material objetivo inicial era una combinación de plata, potasio y selenio (α-KAg3Se2) en una estructura de cuatro capas como un pastel de bodas. Estos materiales 2D tienen longitud y anchura, pero casi ningún grosor con sólo cuatro átomos de altura.

Mercouri Kanatzidis, coautor del estudio, explicó que los materiales superconductores pierden toda la resistencia al movimiento de los electrones cuando se enfrían a temperaturas muy bajas. 

«Para mi decepción, este material no era en absoluto un superconductor, y no pudimos convertirlo en uno», dijo el científico. «Pero, para mi sorpresa, resultó ser un ejemplo fantástico de conductor superiónico».

En los conductores superiónicos, los iones cargados de un material sólido se mueven con la misma libertad que en los electrolitos líquidos de las baterías. El resultado es un sólido con una conductividad iónica inusualmente alta, una medida de la capacidad de conducir la electricidad. Esta alta conductividad iónica viene acompañada de una baja conductividad térmica, lo que significa que el calor no pasa fácilmente. Ambas propiedades hacen de los conductores superiónicos unos materiales excelentes para los dispositivos de almacenamiento y conversión de energía.

Las pistas

La primera pista de Kanatzidis y su equipo de que habían descubierto un material con propiedades especiales fue cuando lo calentaron a entre 450 y 600 grados Fahrenheit. Se transformó en una estructura de capas más simétrica. El equipo también descubrió que esta transición era reversible cuando bajaban la temperatura y la volvían a subir a la zona de alta temperatura.

«Los resultados de nuestros análisis revelaron que, antes de esta transición, los iones de plata estaban fijos en el espacio confinado dentro de las dos dimensiones de nuestro material», dijo Kanatzidis. «Pero después de esta transición, se contoneaban». Aunque se sabe mucho sobre cómo se mueven los iones en tres dimensiones, se sabe muy poco sobre cómo lo hacen en sólo dos dimensiones.

Los científicos llevan tiempo buscando un material ejemplar para investigar el movimiento de los iones en materiales 2D. En opinión de Kanatzidis, este material de capas de potasio-plata-selenio parece ser uno. 

El equipo midió la difusión de los iones en este sólido y comprobó que era equivalente a la de un electrolito acuoso muy salado, uno de los conductores iónicos más rápidos conocidos.

Aunque es demasiado pronto para saber si este material superiónico en particular podría encontrar una aplicación práctica, podría servir inmediatamente como plataforma crucial para diseñar otros materiales 2D con alta conductividad iónica y baja conductividad térmica.

Estas propiedades se consideran importantes para quienes diseñan nuevos electrolitos sólidos bidimensionales para baterías y pilas de combustible.

Los estudios con este material superiónico también podrían servir para diseñar nuevos termoeléctricos que conviertan el calor en electricidad en centrales eléctricas, procesos industriales e incluso en los gases de escape de las emisiones de los coches.