Crean una capa de oro con un átomo de espesor

Por primera vez, los científicos han logrado crear láminas de oro con un espesor de solo un átomo. El material, que ha sido denominado goldeno, ha conferido al oro nuevas propiedades que pueden hacerlo apto para aplicaciones como la conversión del dióxido de carbono, la producción de hidrógeno y la fabricación de productos químicos de valor añadido.

Por Anders Törneholm

Imagen conceptual generada con DALL-E.

Hace tiempo que los científicos intentan fabricar láminas de oro de un átomo de grosor, pero fracasan por la tendencia del metal a apelmazarse. Pero investigadores de la Universidad de Linköping, en Suecia, lo han conseguido gracias a un método centenario utilizado por los herreros japoneses.

"Si se hace un material extremadamente fino, ocurre algo extraordinario, como ocurre con el grafeno. Lo mismo sucede con el oro. Como se sabe, el oro suele ser un metal, pero si tiene una capa de un átomo de grosor, el oro puede convertirse en un semiconductor", explica Shun Kashiwaya, investigador de la División de Diseño de Materiales de la Universidad de Linköping.

Un sándwich de oro, titanio y carbono.

Para crear el goldeno, que es como se ha bautizado a la lámina de oro con un átomo de espesor, los investigadores utilizaron un material base tridimensional en el que el oro se incrusta entre capas de titanio y carbono. Pero dar con el goldeno resultó todo un reto. Según Lars Hultman, catedrático de Física de Películas Finas de la Universidad de Linköping, parte de los avances se deben a la casualidad.

"Habíamos creado el material base pensando en aplicaciones completamente distintas. Empezamos con una cerámica conductora de la electricidad llamada carburo de titanio y silicio, donde el silicio está en capas finas. Entonces la idea era recubrir el material con oro para hacer un contacto. Pero cuando expusimos el componente a altas temperaturas, la capa de silicio fue sustituida por oro dentro del material base", explica Hultman.

Junto con sus colegas, los investigadores Lars Hultman y Shun Kashiwaya —en primer plano— han creado goldene. Cortesía: Olov Planthaber

Este fenómeno se denomina intercalación, y lo que los investigadores habían descubierto era carburo de titanio y oro. Desde hace varios años, los investigadores disponen de carburo de titanio y oro sin saber cómo se puede exfoliar o extraer el oro, por así decirlo.

El arte japonés de la forja aplicado a la ciencia.

Por casualidad, Hultman dio con un método que se utiliza en el arte de la forja japonés desde hace más de cien años. Se trata del reactivo de Murakami, que elimina los restos de carbono y cambia el color del acero en la fabricación de cuchillos, por ejemplo. Pero no era posible utilizar exactamente la misma receta que usaban los herreros nipones. Kashiwaya tuvo que buscar modificaciones: "Probé diferentes concentraciones del reactivo de Murakami y diferentes lapsos de tiempo para el grabado. Un día, una semana, un mes, varios meses. Nos dimos cuenta de que cuanto menor era la concentración y más largo el proceso de grabado, mejor. Pero seguía sin ser suficiente".

El grabado también debe realizarse en la oscuridad, ya que el cianuro se desarrolla en la reacción cuando le da la luz, y disuelve el oro. El último paso era conseguir que las láminas de oro fueran estables. Para evitar que las láminas bidimensionales expuestas se enroscaran, se añadió un agente tensioactivo. En este caso, una molécula larga que separa y estabiliza las láminas, es decir, un tensioactivo.

"Las láminas de goldeno están en una solución, como copos de maíz en la leche. Utilizando una especie de tamiz, podemos recoger el oro y examinarlo con un microscopio electrónico para confirmar que lo hemos conseguido. Y lo hemos conseguido", afirma Kashiwaya.

Lars Hultman, es profesor de física de películas delgadas en el Departamento de Física, Química y Biología (IFM). Cortesía: Olov Planthaber

Las nuevas propiedades del goldeno se deben a que el oro tiene dos enlaces libres cuando es bidimensional. Gracias a esto, las aplicaciones futuras podrían incluir la conversión de dióxido de carbono, la catálisis generadora de hidrógeno, la producción selectiva de productos químicos de valor añadido, la sintesis de hidrógeno, la purificación del agua, las comunicaciones y mucho más.

Además, la cantidad de oro utilizada en las aplicaciones actuales puede reducirse mucho.

El siguiente paso para los investigadores de la Universidad de Linköping es investigar si es posible hacer lo mismo con otros metales nobles e identificar otras aplicaciones futuras.

• Información facilitada por la Universidad de Linköping

• Fuente: Kashiwaya, S., Shi, Y., Lu, J. et al. Synthesis of goldene comprising single-atom layer gold. Nature Synthesis (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s44160-024-00518-4