Creado:
9.04.2025 | 09:30
Actualizado:
9.04.2025 | 09:30
Los materiales bidimensionales, o materiales 2D, han emergido como una de las áreas más vibrantes de la ciencia de materiales en los últimos años. Desde el descubrimiento del grafeno, se han generado enormes expectativas en torno a sus posibles aplicaciones, a veces incluso sobredimensionadas. Se ha hablado de pantallas ultraflexibles, baterías de carga instantánea y electrónica revolucionaria, lo que ha contribuido tanto al entusiasmo como a cierta frustración cuando estas promesas no han llegado tan rápido como se esperaba.
Sin embargo, más allá de la burbuja mediática del grafeno, los materiales 2D están teniendo un impacto real y transformador, especialmente en la manera en que se hace ciencia. Su accesibilidad experimental y la posibilidad de manipularlos sin necesidad de grandes infraestructuras han abierto la puerta a que investigadores en cualquier parte del mundo, incluidos aquellos en países con menos recursos, puedan realizar estudios científicos en la frontera del conocimiento. Estos materiales están democratizando la ciencia de materiales al hacer que el talento y la creatividad sean más determinantes que el presupuesto disponible. En este artículo, exploraremos cómo los materiales 2D están nivelando el campo de juego de la investigación científica, permitiendo descubrimientos de vanguardia en entornos donde antes hubiera sido impensable.
Un cambio radical en la manera de hacer investigación
Durante la segunda mitad del siglo XX, la ciencia de materiales avanzó rápidamente, especialmente en campos como la física del estado sólido y la microelectrónica. Estos avances llevaron a la creación de dispositivos electrónicos cada vez más sofisticados que hoy en día usamos en nuestra vida cotidiana. Sin embargo, este progreso también trajo consigo la necesidad de herramientas y técnicas cada vez más caras y complejas, restringiendo el acceso a la investigación de vanguardia a laboratorios con grandes recursos.
Por ejemplo, para fabricar muestras de materiales semiconductores de calidad suficiente para hacer trabajos de investigación, se requieren técnicas como la epitaxia por haces moleculares (MBE por sus siglas en inglés) y la deposición por láser pulsado (PLD por sus siglas en inglés), que son extremadamente costosas y requieren instrumentación muy sofisticada. Para realizar estudios de física de superficies – la rama de la física que estudia las propiedades y comportamientos de los átomos y moléculas en las capas más externas de los materiales, donde las interacciones difieren significativamente de las del interior – la tendencia es a realizar experimentos en condiciones de ultra-alto vacío, un vacío similar al del espacio exterior. Esta sofisticación ha permitido la observación de fenómenos físicos fascinantes, pero ha hecho que solo los grupos con grandes presupuestos puedan llevar a cabo este tipo de investigación.
Fotografía de una máquina de crecimiento por epitaxia de haces moleculares que constituía prácticamente la única ruta de fabricación de materiales avanzados de altas prestaciones hasta el descubrimiento de los materiales bidimensionales. Créditos: Yakovlev Viktor – Wikimedia Commons.
El impacto de los materiales 2D en la democratización de la ciencia de materiales
Aquí es donde entran en juego los materiales 2D. Desde el descubrimiento del grafeno en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov, que les valió el Premio Nobel de Física en 2010, se ha abierto una nueva era en la ciencia de materiales. El grafeno una capa de átomos de carbono enlazados fuertemente y dispuestos en un patrón hexagonal, es increíblemente fuerte, ligero y excelente conductor de la electricidad y el calor. Poco después del grafeno, muchos otros ‘hermanos’ o ‘primos’ se han descubierto, con la misma estructura de enlaces fuertes dentro del plano creando capas e interacciones muy débiles, de tipo van der Waals, fuera del plano lo que los confiere la estructura típica laminada, a capas. Una de las grandes ventajas de estos materiales es que pueden obtenerse con técnicas simples y económicas, como la exfoliación mecánica con cinta adhesiva, sin necesidad de equipos costosos.
Esta técnica consiste en tomar un fragmento de material laminado tridimensional (como el grafito, del que se obtiene el grafeno o la molibdenita, de la que se obtiene el disulfuro de molibdeno) y, utilizando una cinta adhesiva convencional, despegar capas cada vez más finas hasta obtener una lámina de solo unos pocos átomos de grosor.
Además, la facilidad con la que se pueden manipular y transferir estas capas ultrafinas ha permitido desarrollar una técnica conocida como apilamiento de van der Waals, en la que diferentes materiales 2D se colocan uno sobre otro, como si fueran piezas de un Lego atómico. Al combinar materiales con distintas propiedades electrónicas, ópticas o magnéticas, se pueden crear heteroestructuras artificiales con características totalmente nuevas, que no existen en la naturaleza. Este enfoque modular convierte a los materiales 2D en una plataforma extraordinaria para diseñar materiales y dispositivos "a la carta", con propiedades ajustadas específicamente para cada aplicación.
Un ejemplo espectacular de esta capacidad es el descubrimiento de superconductividad no convencional en bicapas de grafeno giradas con un ángulo muy específico de 1.1°, llamado ángulo mágico, realizado por el investigador español Pablo Jarillo-Herrero en el MIT. Este hallazgo ha abierto un nuevo campo de estudio en la física de materiales, la “twistrónica”, y ha sido reconocido con numerosos premios internacionales, entre ellos el prestigioso Premio Wolf.
Desde el desarrollo de la exfoliación mecánica y la técnica del apilamiento de van der Waals para fabricar muestras y heteroestructuras de materiales 2D, muchos investigadores de todo el mundo han sido capaces de producir materiales de muy alta calidad, accediendo a la ciencia puntera casi independientemente de sus recursos, el tamaño de sus laboratorios o sus países de origen.
Este cambio de paradigma tendrá, indudablemente, un impacto enorme, no solo en el avance de la ciencia de materiales, sino en la formación de toda una nueva generación global de científicos que dispondrán de la oportunidad de desarrollarse con menos restricciones.
Esta democratización de la ciencia es crucial. Mientras el acceso a los recursos no está distribuido homogéneamente, el talento sí lo está. No garantizar el acceso a la ciencia puntera a personas con gran potencial para la investigación sería una pérdida de recursos humanos muy valiosos. Los materiales 2D están permitiendo que más científicos, incluso aquellos con presupuestos limitados, contribuyan significativamente a la investigación.
Fabricación de materiales bidimensionales por exfoliación mecánica con cinta adhesiva (imagen propia de mi laboratorio).
Un futuro brillante
Desde su descubrimiento en 2004, el grafeno ha sido promocionado en la prensa como el material que cambiaría todas las industrias. Sin embargo, esta sobreexposición ha llevado a una cierta desilusión en el público general, al no ver rápidamente los cambios revolucionarios que se prometían. Para entender mejor este fenómeno, es crucial poner las cosas en su justo contexto: el avance en la ciencia de materiales es un proceso lento y gradual.
Lecciones de la historia: el tiempo de maduración de los materiales
Un buen ejemplo de esta gradualidad se puede ver en la historia del aluminio y el silicio. El aluminio fue aislado por primera vez en 1825 por Hans Christian Ørsted, pero no fue hasta finales del siglo XIX y principios del XX que comenzó a usarse masivamente, gracias al desarrollo de métodos de producción más eficientes como el proceso Hall-Héroult. Hoy en día, el aluminio es fundamental en industrias como la aviación, el transporte, la construcción y la transmisión de electricidad.
De manera similar, el silicio, aislado por primera vez en 1823 por Jöns Jacob Berzelius, no encontró aplicaciones industriales significativas hasta la segunda mitad del siglo XX, con la revolución de los semiconductores y la microelectrónica. Actualmente, el silicio es fundamental en la fabricación de microprocesadores, que son el corazón de todos los dispositivos electrónicos modernos. Además, el silicio es crucial en la industria fotovoltaica, donde se utiliza para fabricar paneles solares que convierten la luz solar en electricidad. Estos ejemplos muestran que, desde el aislamiento de un nuevo material hasta su adopción generalizada en aplicaciones disruptivas, pueden pasar muchas décadas.
El grafeno una capa de átomos de carbono enlazados fuertemente y dispuestos en un patrón hexagonal, es increíblemente fuerte, ligero y excelente conductor de la electricidad y el calor. Créditos:Alexander Aius – Wikimedia Commons.
Aplicaciones emergentes: más allá de lo esperado
En el caso del grafeno y otros materiales 2D, aunque las aplicaciones más obvias y esperadas, como en electrónica flexible y baterías de alta capacidad, aún no han sido revolucionarias, esto no significa que estos materiales no tengan un futuro brillante. De hecho, las aplicaciones más prometedoras suelen surgir de manera no trivial y a menudo en campos inesperados.
Por ejemplo, una de las aplicaciones más innovadoras del grafeno se encuentra en la secuenciación de ADN. Utilizando nanoporos en membranas de grafeno, los científicos están desarrollando métodos para secuenciar ADN de manera más rápida y económica. Esta tecnología tiene el potencial de transformar la medicina personalizada y la biotecnología. Otra aplicación sorprendente del grafeno es en la regeneración de la médula espinal. Investigaciones recientes han demostrado que espumas tridimensionales de óxido de grafeno reducido pueden favorecer la reconexión de médulas espinales seccionadas en modelos animales, estimulando el crecimiento de vasos sanguíneos y neuronas. Este avance abre nuevas posibilidades para el tratamiento de lesiones medulares.
Además, el grafeno también muestra un enorme potencial en la potabilización y desalinización de agua. Gracias a sus propiedades únicas, las membranas de óxido de grafeno pueden filtrar eficazmente sales y contaminantes, ofreciendo una solución innovadora y sostenible para el suministro de agua potable en todo el mundo. Sorprendentemente, el grafeno está encontrando su lugar también en la conservación del patrimonio. Se están explorando recubrimientos basados en grafeno para proteger obras de arte y estructuras históricas contra la corrosión, el deterioro por humedad y la contaminación ambiental, lo cual podría revolucionar las técnicas de conservación al prolongar la vida útil de estos invaluables activos culturales.
El verdadero impacto: la democratización del conocimiento
Como ya hemos discutido en este artículo, desde el punto de vista de la formación de talento investigador, los materiales 2D también tienen un futuro brillante por delante. La democratización de la ciencia de materiales gracias a los materiales 2D tiene el potencial de transformar nuestra sociedad. Al hacer que la investigación avanzada sea accesible para más personas, estamos permitiendo que una mayor diversidad de investigadores con talento participe en la ciencia. Esto no solo acelera el ritmo de los descubrimientos, sino que también asegura que los beneficios de estos avances se distribuyan de manera más equitativa, generando sociedades basadas en el conocimiento de manera global.
Referencias
Novoselov, K. S. et al. (2004). Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 306, 666–669. doi: 10.1126/science.1102896
Teresa Guerrero. (2012). Grafeno, el material del futuro. El Mundo. URL: elmundo.es/elmundo/2012/04/13/nanotecnologia/1334331314.html
BBC News Mundo. (2013). La competencia global por el grafeno, el material del futuro. BBC News Mundo. URL: bbc.com/mundo/noticias/2013/01/130115_tecnologia_grafeno_carrera_aa
Real Academia Nacional de Farmacia. (2020). El silicio, ese gran desconocido. URL: ranf.com/noticia/el-silicio-ese-gran-desconocido/
Cristina Sáez (2020). La Vanguardia. El físico español Pablo Jarillo, del MIT, gana el Premio Wolf. URL:
Heerema, S. J. & Dekker, C. Graphene nanodevices for DNA sequencing. Nature Nanotech 11, 127–136 (2016).
Consejo Superior de Investigaciones Científicas. (2025). Logran reconectar la médula espinal totalmente seccionada de una rata gracias a espumas de grafeno. URL: csic.es/es/actualidad-del-csic/logran-reconectar-la-medula-espinal-totalmente-seccionada-de-una-rata-gracias-espumas-de-grafeno
Redacción. (2023). La ULE inventa una 'armadura' para la Catedral. Diario de León. URL: diariodeleon.es/cultura/230524/376480/ule-inventa-armadura-catedral.html
Andrés Castellanos Gómez
Profesor de Investigación del ICMM – CSIC. Doctor en Física
Academia Joven de España
Fuente:
Autor: edgary185
About The Author
