Theoretical Prediction of Superconducting 2D Hydrogenated Janus V2CSH and Nb2CSH MXenes

Los materiales bidimensionales son láminas de materia tan delgadas que solo tienen una capa de átomos de espesor, pero poseen propiedades que las versiones más voluminosas de la misma sustancia simplemente no tienen. Entre estos, una familia conocida como MXenes ha atraído una atención significativa por su capacidad para conducir electricidad y su potencial para almacenar energía. Estos materiales se crean típicamente desprendiendo capas de un cristal más grande, dejando atrás una superficie que a menudo está cubierta con varios átomos como el oxígeno o el flúor. Estos átomos superficiales actúan como una piel, cambiando fundamentalmente cómo se comporta el material. Recientemente, los científicos se han interesado en una variación específica llamada estructura Janus, nombrada así por el dios romano de dos caras. En estas láminas, los dos lados son diferentes entre sí, con una cara cubierta por un tipo de átomo y la cara opuesta por otro. Esta asimetría crea un entorno interno único que puede ajustarse para producir nuevos efectos electrónicos, incluyendo el potencial teórico de conducir electricidad sin ninguna resistencia en absoluto, un fenómeno conocido como superconductividad.

En un nuevo estudio, los investigadores se propusieron explorar cómo este diseño Janus podría funcionar con dos metales específicos, el vanadio y el niobio, cuando sus superficies están cubiertas con una mezcla de hidrógeno y azufre. Utilizando potentes simulaciones por computadora, el equipo modeló capas individuales de estos materiales para ver si se mantendrían unidos y cómo conducirían la electricidad. Descubrieron que tanto las láminas basadas en vanadio como las basadas en niobio eran estables y no se desmoronarían bajo condiciones normales. Más importante aún, el estudio predice que ambos materiales podrían ser superconductores, lo que significa que podrían transportar una corriente eléctrica con cero pérdida de energía, pero solo a temperaturas extremadamente bajas. El estudio reveló que, si bien ambos materiales muestran este potencial, el que contiene niobio es el superconductor más eficaz, capaz de mantener este estado a una temperatura más alta que su contraparte de vanadio.

Los investigadores comenzaron construyendo los modelos atómicos de estas dos láminas. Cada lámina consiste en una capa central de átomos de carbono sándwich entre dos capas de átomos metálicos. En un lado de la lámina, los átomos metálicos están unidos al azufre, mientras que en el otro lado, están unidos al hidrógeno. Esta disposición crea un desequilibrio eléctrico permanente a través de la lámina, muy parecido a una batería con un lado positivo y uno negativo, lo cual es un resultado directo de las dos caras diferentes. Las simulaciones mostraron que los átomos en estas láminas se mantienen unidos fuertmente y que los materiales permanecen estables incluso cuando se calientan a temperatura ambiente en un entorno simulado. El equipo también comprobó el magnetismo, una propiedad que a menudo interfiere con la superconductividad, y encontró que ninguno de los materiales exhibía ningún comportamiento magnético, lo cual es una condición favorable para que surja el estado superconductor.

Cuando los científicos examinaron cómo se mueve la electricidad a través de estas láminas, encontraron que ambos materiales actúan como metales, con electrones fluyendo libremente a través de ellos. El flujo de electricidad es impulsado principalmente por los electrones que orbitan los átomos metálicos. Sin embargo, los dos materiales no son idénticos. La lámina de niobio tiene un espaciamiento ligeramente mayor entre sus átomos en comparación con la de vanadio, una diferencia que cambia la forma en que los electrones y los átomos vibrantes interactúan entre sí. Esta interacción es la clave de la superconductividad en estos materiales. Para que un material se convierta en superconductor, los electrones deben emparejarse y moverse a través de la red de átomos sin chocar con ellos. Este emparejamiento es facilitado por las vibraciones de los propios átomos. Los investigadores calcularon qué tan fuertemente se acoplan los electrones con estas vibraciones y encontraron que la lámina de niobio tiene una conexión más fuerte que la de vanadio.

Esta conexión más fuerte conduce a una temperatura más alta a la cual se predice que el material se volverá superconductor. El estudio predice que la lámina basada en vanadio se volvería superconductor a una temperatura de 2.36 Kelvin, que es justo por encima del cero absoluto. La lámina basada en niobio, sin embargo, se predice que se volverá superconductor a 5.27 Kelvin. Aunque estas temperaturas siguen siendo increíblemente frías, el hecho de que la versión de niobio funcione a una temperatura más alta es significativo. Los investigadores descubrieron que el principal motor de este efecto proviene de las vibraciones de baja energía de los átomos de metal y azufre. Estos átomos pesados vibran lentamente, y son estos movimientos específicos los que representan aproximadamente el 77 por ciento de la capacidad del material para convertirse en superconductor. Los átomos más ligeros de hidrógeno y carbono juegan un papel mucho menor en este proceso.

Los hallazgos sugieren que al intercambiar un metal por otro dentro de la misma estructura Janus, los científicos pueden ajustar las propiedades superconductoras de estos materiales. El estudio descarta la idea de que los dos materiales se comportarían de manera idéntica solo porque comparten la misma forma y átomos superficiales; en cambio, la elección específica del metal dicta la fuerza del efecto superconductor. Los investigadores también señalaron que los materiales son mecánicamente robustos, lo que significa que son rígidos y resistentes al estiramiento, lo cual es importante para cualquier uso práctico futuro. Si bien estos resultados se basan actualmente en simulaciones por computadora y aún no han sido creados en un laboratorio, los cálculos proporcionan una hoja de ruta clara sobre qué esperar si estos materiales son sintetizados. El trabajo destaca que el MXene Janus basado en niobio es un candidato particularmente prometedor para futuras aplicaciones de baja temperatura, ofreciendo un nuevo camino para diseñar materiales cuánticos bidimensionales con propiedades eléctricas a medida.