Aunque no se sintetizó hasta 2015, el origen del borofeno se remonta a los años 90 del siglo pasado. Hace más de dos décadas un grupo de físicos predijo su existencia utilizando unas simulaciones por ordenador que describían cómo los átomos de boro podían enlazarse entre ellos hasta formar una capa finísima de material de un solo átomo de espesor.
En aquel momento la tecnología no permitía fabricar un material con esas características, pero desde hace unos años sí es posible. El borofeno ya está listo, y las expectativas de los grupos de investigación que están trabajando con estos cristales están por todo lo alto porque, al parecer, tiene un sinfín de aplicaciones en campos tan atractivos como la superconductividad o la fabricación de baterías, entre otros. Sí, todo esto suena a grafeno, pero merece la pena que le demos la oportunidad de conocerlo mejor. Esto es lo que nos promete el borofeno.
Qué es el borofeno y qué lo hace tan especial
El elemento químico que necesitamos para producir borofeno es, como podemos intuir a partir de su nombre, el boro. Este último es un semiconductor, lo que significa que dependiendo de las condiciones de presión, temperatura, radiación u otras a las que lo expongamos se comportará como un conductor de la corriente eléctrica o como un aislante. Y, además, es un semimetal, por lo que tiene tanto algunas de las propiedades características de los metales como otras de los no metales.
En la corteza terrestre el boro es relativamente escaso. Podemos encontrarlo en rocas como el bórax o la colemanita, que se forman de manera natural debido a la evaporación del agua rica en sales de algunos lagos sometidos a altas temperaturas y ubicados en zonas desérticas. También lo podemos encontrar disuelto en el agua del mar debido a la precipitación de las partículas de boro suspendidas en la atmósfera, así como a la erosión de las rocas que lo contienen y a su circulación a través del ciclo hidrológico, que explica cómo el boro disuelto en agua es transportado hasta los océanos por las escorrentías.
Para fabricar una lámina de borofeno es necesario enlazar los átomos de boro de manera que formen una única capa con un espesor de un solo átomo
Lo más curioso es que para fabricar una lámina de borofeno es necesario lograr que los átomos de boro adopten una estructura bidimensional monocapa. Esto significa, sencillamente, que es necesario enlazarlos de manera que formen una única capa de átomos de boro con un espesor de un solo átomo. Y lograrlo no es sencillo. De hecho, esta dificultad explica en gran medida el tiempo que ha pasado desde que se descubrió el borofeno gracias a las simulaciones por ordenador hasta que los científicos han conseguido fabricarlo en sus laboratorios.
¿Cómo lo han hecho? Recurriendo al mismo procedimiento que se utiliza, por ejemplo, para producir diamante sintético: la deposición química de vapor. No hace falta que entremos en detalles complicados, pero es interesante que sepamos que este proceso consiste en conseguir que un gas muy caliente que contiene átomos de boro se condense sobre una superficie muy homogénea de plata pura. Esta última está a una temperatura muy inferior a la del gas con el objetivo de que el boro cristalice sobre ella, adoptando la forma de una única y finísima capa de átomos. Ya tenemos nuestro borofeno, pero… ¿por qué se usa plata pura?
La elección de este metal precioso no es fruto del azar, como podemos imaginar. Los átomos de plata adquieren una estructura cristalina muy uniforme y son capaces de obligar a los átomos de boro a adoptar una configuración muy similar. De esta forma, cada átomo de boro queda enlazado con un máximo de seis átomos de este mismo elemento, dando lugar a la formación de una estructura hexagonal plana con forma de rejilla.
El dispositivo de esta imagen es una cámara de deposición química por vapor. El plasma de color violeta es un gas muy caliente que contiene las partículas que se van a depositar para consolidar el material que se está fabricando.
Sin embargo, esta fina lámina de átomos de boro no es completamente regular debido a que algunos de estos átomos no establecen enlaces con otros seis átomos de este elemento, sino solo con cuatro o cinco. Y esto origina la aparición de unos huecos en la estructura que no solo no son perjudiciales, sino que, de hecho, son los responsables de las peculiares propiedades fisicoquímicas que tiene el borofeno.
Dos de las características que explican por qué el grafeno ha generado tanta expectación son su extrema dureza y alta flexibilidad. Por esta razón es sorprendente que los científicos involucrados en el análisis del borofeno hayan confirmado que este material es aún más flexible y duro que el grafeno, que, a su vez, tiene una dureza superior a la del diamante. El grupo de investigación responsable de uno de los informes dedicados al borofeno más exhaustivos de cuantos se han publicado hasta ahora está integrado por físicos de las universidades de Xiamen (China), Singapur y Malasia, y en él explican que este material no sobresale solo por su extrema dureza y enorme flexibilidad.
Además, según estos científicos el borofeno es un excelente conductor de la electricidad, tiene un índice de termoconductividad alto (este parámetro mide su capacidad de transportar energía en forma de calor), es muy ligero, bajo las condiciones de presión y temperatura adecuadas se comporta como un superconductor, tiene una gran capacidad de captura de átomos de hidrógeno y es capaz de actuar como reactivo, por lo que, en teoría, podrá utilizarse en numerosas reacciones químicas. Como veis, la retahíla de propiedades interesantes que tiene el borofeno es bastante impresionante.
Estas son las aplicaciones que están en el punto de mira del borofeno
Las propiedades fisicoquímicas de este material pueden manipularse actuando sobre la orientación y la distribución de los huecos en la estructura monocapa de átomos de boro. Por esta razón, es probable que los químicos y los ingenieros de materiales encuentren la manera en el futuro de poner a punto distintas estructuras cristalinas de átomos de boro con diferentes propiedades, y, por tanto, con distintas aplicaciones. De hecho, algunas de estas variantes del borofeno ya se han obtenido en condiciones de laboratorio.
Según los físicos que firman el trabajo dedicado al borofeno del que os he hablado unos párrafos más arriba, su ligereza, alta conductividad y elevada capacidad de transporte de iones lo colocan como un candidato ideal para fabricar los electrodos de las baterías de iones de litio, sodio, potasio, magnesio o aluminio que utilizamos actualmente. Un apunte breve antes de seguir adelante: un ion es un átomo o molécula que no es eléctricamente neutro y que, por tanto, tiene carga eléctrica positiva o negativa.
Por otra parte, para entender un poco mejor el posible papel del borofeno en las baterías nos viene bien repasar qué es un electrodo. El cátodo y el ánodo son los electrodos de las baterías, y esto significa, sencillamente, que son conductores eléctricos que están en contacto con un elemento no metálico de un circuito. En el caso de las baterías ese elemento no metálico es el electrolito, que podemos definirlo como una sustancia que contiene iones, y que, por esta razón, actúa como un conductor eléctrico.
La liberación de la energía eléctrica se produce gracias a un fenómeno conocido como reacción redox (reducción-oxidación), que es un proceso químico en el que un conjunto de electrones viaja de un elemento a otro, alterando su estado de oxidación. En nuestras baterías el cátodo es el elemento que sufre la reacción de reducción, y, por tanto, recibe electrones y reduce su oxidación. Y el ánodo es el electrodo que hace todo lo contrario, es decir, pierde electrones, y, por esta razón, se incrementa su oxidación.
Esta imagen muestra la estructura de tres cristales experimentales de borofeno que tienen una distribución diferente de los átomos de boro y sus huecos.
Otra propiedad del borofeno de la que hablan estos científicos asiáticos en su interesantísimo informe es su alta capacidad de almacenamiento de hidrógeno, que en el futuro podría tener un rol fundamental en el desarrollo de nuevas pilas de combustible, entre otras posibles aplicaciones. También destacan la posibilidad de utilizar las finas láminas de borofeno en la fabricación de supercondensadores con una densidad de energía muy alta y una gran estabilidad siempre y cuando, eso sí, se prevenga el contacto con el aire para evitar la oxidación del material.
La distribución de los huecos que quedan entre los átomos de boro del borofeno es en gran medida la responsable de que este material tenga la capacidad de comportarse como un superconductor
Además, las propiedades fisicoquímicas del borofeno varían en presencia de determinadas moléculas, una característica que puede ser aprovechada para fabricar detectores de gases. Su conductividad eléctrica, por ejemplo, se incrementa significativamente en presencia de moléculas de formaldehído, que es un compuesto químico volátil muy inflamable, y, por tanto, también muy peligroso. En este contexto el borofeno puede utilizarse para detectar no solo la presencia de moléculas de este gas, sino también de otros compuestos químicos potencialmente peligrosos, como el etanol o el ácido cianhídrico.
Por otro lado, como anticipé unos párrafos más arriba, la peculiar estructura cristalina que conforman los átomos de boro confiere al borofeno la capacidad de transformarse en un superconductor. Precisamente, los huecos que quedan entre algunos de esos átomos debido a que una parte de ellos no establece enlaces con otros seis átomos de boro son en gran medida los responsables de que la superconductividad del borofeno sea factible. Gracias a esta propiedad es probable que este material pueda ser utilizado para fabricar los imanes superconductores que usamos, por ejemplo, en las máquinas de resonancia magnética nuclear de los hospitales, en los trenes que se desplazan mediante levitación magnética y en los aceleradores de partículas.
Y, por supuesto, no podemos pasar por alto las posibilidades que ponen encima de la mesa las propiedades mecánicas del borofeno, especialmente su dureza, ligereza y flexibilidad. Gracias a ellas podrá ser empleado como alternativa al grafeno por algunas de las industrias que tenían puesto su foco en este último material. Es probable que, si los científicos consiguen superar los dos retos de los que vamos a hablar en la siguiente sección del artículo, el borofeno se pueda usar en la fabricación de blindajes y chasis para todo tipo de vehículos, como coches, aviones o barcos.
Los cristales de boro como los que aparecen en esta fotografía son la materia prima utilizada para producir borofeno mediante deposición química por vapor.
Estos son los retos que tiene por delante el borofeno para no ser solo una promesa
A lo largo de este artículo hemos visto que los científicos conocen con mucho detalle las propiedades del borofeno, y esto ha provocado que sus posibles aplicaciones comiencen a aparecer en el horizonte. Sin embargo, para que este material tenga un impacto directo en nuestras vidas los físicos, los químicos y los ingenieros de materiales tendrán que resolver dos desafíos que actualmente tienen una envergadura tal que intimida.
Uno de esos retos, quizá el más relevante, consiste en encontrar la forma de fabricar borofeno a gran escala. La deposición química de vapor, que es el método que se está utilizando actualmente, es un procedimiento bien conocido, pero no parece la solución idónea para producir industrialmente la cantidad de borofeno necesaria para que algunas de las aplicaciones de las que hemos hablado en este artículo sean posibles.
El otro desafío está estimulado por la facilidad con la que se oxida el borofeno cuando entra en contacto con el aire. Esta característica provoca que sea necesario protegerlo con eficacia para evitar que se degrade, lo que unido a lo complejo que es fabricarlo y a la dificultad de producirlo en grandes cantidades lo encarecerá mucho. Por el momento solo nos queda mantenernos a la expectativa y confiar en que los científicos consigan resolver estos problemas. Cuando lo hagan, si finalmente lo logran, os seguiremos contando.
Imagen de portada | Tim Mossholder
Imágenes | Aram Dulyan | polyparadigm | Bo Peng, Hao Zhang, Hezhu Shao, Zeyu Ning, Yuanfeng Xu, Gang Ni, Hongliang Lu, David Wei Zhang & Heyuan Zhu | James L. Marshall
Más información | Universidad de Xiamen
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