Algunos de los descubrimientos científicos más famosos ocurrieron por accidente. Desde el teflón y el horno microondas hasta la penicilina, los científicos que intentan resolver un problema a veces encuentran cosas inesperadas. Así es exactamente como creamos las nanocintas de fosforeno: un material hecho de uno de los componentes básicos del universo, con potencial para revolucionar una amplia gama de tecnologías.
Intentábamos separar las capas de cristales de fósforo para obtener láminas bidimensionales. En cambio, nuestra técnica creó diminutas cintas parecidas a los tagliatelle, de un solo átomo de grosor y apenas unos 100 átomos de ancho, pero de hasta 100.000 átomos de largo. Dedicamos tres años a perfeccionar el proceso de producción antes de anunciar nuestros hallazgos.
Las cintas bidimensionales tienen varias propiedades extraordinarias. Su relación entre anchura y longitud es similar a la de los cables que atraviesan el puente Golden Gate. Su anchura, increíblemente uniforme pero modificable, permite ajustar con precisión sus propiedades, como si conducen electricidad y de qué manera. También son extraordinariamente flexibles, lo que significa que pueden adaptarse perfectamente a los contornos de cualquier superficie sobre la que se coloquen e incluso retorcerse.
Potencial transformador
Más de 100 artículos científicos predijeron el potencial transformador de estas nanocintas en diversas tecnologías, si llegaba a ser posible crearlas; algunos lo hicieron hasta cinco años antes de que publicáramos nuestro descubrimiento en Nature.
Quizás la más importante de estas aplicaciones se encuentre en el ámbito de la tecnología de baterías. La estructura corrugada de las nanocintas de fosforeno significa que los iones cargados que alimentan las baterías pronto podrían desplazarse hasta 1000 veces más rápido de lo que es posible actualmente. Esto supondría una reducción considerable del tiempo de carga, junto con un aumento de la capacidad de aproximadamente el 50 %. Estas mejoras de rendimiento darían un gran impulso a las industrias del automóvil eléctrico y la aviación, y nos permitirían aprovechar mucho mejor las energías renovables para eliminar la dependencia de los combustibles fósiles, incluso en días nublados y sin viento.
También significa que, en el futuro, las baterías podrían usar iones de sodio en lugar de iones de litio. Es posible que las reservas conocidas de litio no alcancen para cubrir los enormes aumentos previstos en la demanda de baterías, y su extracción puede ser perjudicial para el medio ambiente. El sodio, en cambio, es abundante y barato.
El campo de la electrónica también podría beneficiarse de las nanocintas. La ley de Moore establece que la potencia de procesamiento de los ordenadores se duplica cada dos años, pero ese ritmo corre el riesgo de ralentizarse a medida que se alcanzan rápidamente los límites físicos de los materiales. El uso de materiales «2D» como el nuestro podría redefinir esos límites y permitirnos fabricar dispositivos cada vez más pequeños y rápidos.
Las cintas podrían resolver otro gran obstáculo en este ámbito: cómo conectar eléctricamente nanomateriales sin generar una gran resistencia (y, por tanto, pérdida de energía) en las uniones. Las versiones de nanocintas de fosforeno de varias capas pueden dividirse sin interrupciones en cintas de diferentes alturas y propiedades eléctricas, evitando los requisitos de ingeniería habituales para las conexiones. Gracias a ello, las células solares de alta eficiencia podrían estar mucho más cerca de convertirse en realidad.
La flexibilidad de las nanocintas de fosforeno y sus propiedades termoeléctricas permiten también incorporarlas a tejidos para prendas de vestir y usarlas para convertir el calor residual en electricidad útil. Por ejemplo, pronto podríamos ver camisetas termoeléctricas que funcionen como monitores del ritmo cardíaco y del nivel de azúcar en sangre, alimentadas únicamente por el calor corporal.
Esta tecnología podría liberar el potencial del hidrógeno como combustible eficiente y bajo en carbono. El agua contiene abundante hidrógeno, y al extraerlo solo se produce oxígeno como subproducto. Sin embargo, hasta ahora los científicos no han logrado encontrar una forma barata de hacerlo. Las moléculas de agua pueden separarse mediante un proceso llamado fotocatálisis, pero este método requiere un material que absorba mucha luz y cuyas propiedades energéticas sean compatibles con las del agua. Se prevé que las nanocintas reúnan precisamente estas cualidades, además de tener una gran superficie que maximizaría el contacto con el agua, lo que las convierte en una candidata prometedora para resolver el enigma de la producción de hidrógeno.
Es alentador que las nanocintas de fosforeno ya hayan superado importantes obstáculos en el camino hacia la comercialización. Para la mayoría de los materiales nuevos, encontrar un método de producción escalable como el nuestro lleva años, y algunos nunca llegan a ver la luz. Además, el fósforo es un material relativamente abundante y fácil de extraer de la corteza terrestre. Y como nuestras cintas ya se forman en líquidos, es fácil producir tintas o pinturas para manipularlas a escala mediante métodos de bajo costo, como el recubrimiento por pulverización o la impresión por inyección de tinta.
Sin embargo, producir estas cintas es solo el primer paso para revolucionar las tecnologías mencionadas. Ahora hace falta realizar mucha investigación para comprobar las predicciones teóricas e investigar hasta qué punto pueden adaptarse las propiedades de las cintas a aplicaciones concretas. Como demuestran las trayectorias de más de 20 años del teflón, las baterías de litio y el velcro, el camino del descubrimiento a la aplicación puede ser largo. Pero, dado que la sociedad se está alejando cada vez más de los combustibles fósiles, esperamos que pronto sea un camino muy transitado.
