El siliceno es un alotropo bidimensional del silicio, similar al grafeno.

Aunque los teóricos han especulado sobre la existencia y las posibles propiedades del siliceno, los investigadores observaron primero estructuras de silicio que sugerían al siliceno en 2010.

Usando el microscopio de efecto túnel, estudiaron el auntoensamblaje molecular de los nanocitos de siliceno y de las hojas de siliceno depositadas sobre un cristal de plata con resolución atómica. Las imágenes revelaron hexágonos en una estructura de panal similar a la del grafeno. 

Los cálculos de la teoría del funcional de la densidad (DFT) mostraron que los átomos de silicio tienden a formar tales estructuras de panal en la plata y adoptar una ligera curvatura que la hace mas apropiada para una configuración tipo grafeno.

En adición a su potencial de compatibilidad con las técnicas existentes de semiconductores, el siliceno tiene la ventaja de que sus bordes no exhiben reactividad al oxigeno. 

La hidrogenación de silicenos a silicanos es bastante exotermica. Esto ha llevado a la predicción de que el proceso de conversión del siliceno al silicane (siliceno hidrogenado) puede ser eventual candidato para el almacenamiento de hidrogeno.

El siliceno posee una gran resistencia, al igual que el grafeno, y eso hace que obtenga un buen rendimiento en los ánodos de las baterías de Ion-lito. Esta característica permite paliar los cambios de volumen que se producen durante la carga, acercándose a los margenes que ofrece el grafito. el material que se emplea actualmente. 

Sin embargo, el siliceno cuenta con un valor diferencial respecto al grafito. Ofrece el doble de capacidad para el ánodo y ademas su resistencia impide que sufra cambios durante el proceso de carga y descarga. Esto significa que las baterías hechas con este material tendrían una vida mucho mas larga de lo que estamos acostumbrados ahora, sin que en medio se pueda apreciar un desgaste progresivo, como ocurre hoy en día. 

Abundan las investigaciones para mejorar las baterías que dan autonomía a una importante masa de productos electrónicos. Algunas de ellas están teniendo al silicio como protagonista, un material que ofrece la esperanza de un rendimiento muy optimizado, como demostró un equipo que lo combino con carbono y obtuvo dispositivos capaces de acumular hasta 10 veces mas electricidad que los actuales.

El siliceno, un material semiconductor nuevo que combina las propiedades del silicio y el grafeno, permitirá fabricar circuitería electrónica cien veces más pequeña, que pueda integrarse en dispositivos inteligentes.

Con este material se está trabajando en proyecto de investigación europeo, en cuyo marco ya se ha dado un paso importante en la miniaturización de componentes nanoelectrónicos.

"Los componentes electrónicos se integran actualmente en capas múltiples de átomos de silicio. La integración de dichos componentes en una capa única permitiría reducir su tamaño de manera significativa y minimizar las fugas eléctricas, a la vez que se conseguiría aumentar la potencia y eficiencia energética de los dispositivos en los que se monten".

El siliceno, variante bidimensional del silicio, aporta sus propiedades semiconductoras al mundo de los materiales 2D, si bien presenta el problema de que sus características se alteran al entrar en contacto con otras sustancias, por ejemplo metales. 

 

Este logro, fruto de los esfuerzos del equipo integrado, entre otros, por Deji Akinwande y Li Tao, de la Universidad de Texas en la ciudad estadounidense de Austin, y Alessandro Molle del Instituto de Microelectrónica y Microsistemas en Agrate Brianza, Italia, promete ser el primer paso hacia la fabricación de chips de ordenador mucho más rápidos, pequeños y eficientes.

 

El siliceno tiene propiedades eléctricas excepcionales, pero hasta ahora ha resultado ser extremadamente difícil de elaborar así como de trabajar con él, debido a su complejidad e inestabilidad al ser expuesto al aire.

Hasta hace unos pocos años, el siliceno como material fabricable era algo meramente teórico. La entrada en escena del grafeno, otro material con un grosor de un átomo, en este caso de carbono, y muy prometedor para el desarrollo de chips, representó un ejemplo práctico de cómo podía abordarse la elaboración de un material similar pero basado en el silicio. Los investigadores comenzaron a darle vueltas a la idea de que quizá se podía agrupar átomos de silicio para que integrasen una estructura bastante similar a la del grafeno. Ahora, por fin, se ha logrado demostrar que es factible trabajar con siliceno de manera equiparable a como se trabaja con el grafeno.

A partir de ahora comienza un camino que pasa por investigar nuevas estructuras y métodos para crear siliceno, con miras a encontrar cauces apropiados para su uso práctico en chips de ordenador que gracias a las características del material serán más veloces y consumirán menos electricidad.

 

 

Sin embargo, existe una alternativa: el siliceno. el siliceno es un alótropo bidimensional del silicio de estructura hexagonal que aventaja en propiedades al grafeno, ya que permite crear ánodos porosos de mayor capacidad. Su único inconveniente reside en la dificultad de creación en laboratorio y mucha más para la industria.

Batería de nanocarbono y nanosilicio

La batería de nanocarbono y nanosilicio fue presentada en el International Forum on Graphene, presidido por Sir Andre Geim, de la Universidad de Manchester (Reino Unido), Premio Nobel de Física en 2010 por sus trabajos sobre el grafeno.

El nuevo ánodo ha sido desarrollado por Argonne National Laboratory, con una densidad energética de 525Wh/kg y una capacidad de corriente de ánodo de 1.250 mA/g. La densidad energética de una batería de litio convencional es de 140-160 Wh/kg, lo que supone multiplicar por 3,28 la densidad energética de la batería convencional de ión-litio y por cuatro la capacidad del ánodo.

La vida de la batería alcanza los 5.000 ciclos de descarga. Durante la descarga, el ánodo libera iones positivos de litio, que migran por el electrolito hacia el cátodo y se insertan en él. Por cada ión liberado por el ánodo surge un electrón hacia el circuito exterior. Para cargar la batería hay que invertir el sentido de la corriente. La cantidad de energía almacenada es proporcional a la diferencia de potencial entre los electrodos (3.6 V).

El nanosilicio tiene una capacidad de absorción de átomos de litio que supera en diez veces al ánodo convencional.

"Los componentes electrónicos se integran actualmente en capas múltiples de átomos de silicio. La integración de dichos componentes en una capa única permitiría reducir su tamaño de manera significativa y minimizar las fugas eléctricas, a la vez que se conseguiría aumentar la potencia y eficiencia energética de los dispositivos en los que se monten"

En cuanto a sus aplicaciones, el silicio se ha utilizado en aleaciones y, debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos. Por esta razón se conoce como Silicon Valley (Valle del Silicio) a la región de California en la que concentran numerosas empresas del sector de la electrónica y la informática.

Hasta ahora era un material casi regalado a los laboratorios, pero un ingeniero informático de la universidad de texas llamado Delli Akiwande ha descubierto una forma de hacer que los primeros transitores fabricados de cara para aprovechar sus interesantes propiedades.

El funcionamiento del siliceno en circuitos electrónicos podría ser la base de procesadores mucho mas veloces que los existentes hasta ahora. 

Al contrario que el grafeno, el siliceno no surge de forma natural, y tiene que ser fabricado artificialmente en un laboratorio. Su producción es tremendamente compleja por el momento y hasta ahora solo algunos grupos de investigación han conseguido fabricarlo recientemente, Las dificultades no terminan ahí, ya que el siliceno es un material inestable que hace complicado trabajar con el. 

La tecnología quiere adelantarse a la ciencia en la búsqueda de mejores materiales para las baterías. Los nuevos materiales como el grafeno se quedan cortos y los teóricos sacian esa necesidad con predicciones sobre el papel.

El siliceno, el análogo del grafeno pero con átomo de silicio puede ser el nuevo candidato a mejorar las actuales baterías de Ion.lito. Cuando su fabricación esta aun en proceso de desarrollo ya hay puestas para su uso como material perfecto para el ánodo.

El siliceno ha llamado la atención del mundo de las baterías. Era de esperar, ya hemos visto en otras ocasiones que el silicio es el material favorito para recibir átomos de litio durante la carga de batería. Los estudios se han realizado con cálculos teóricos que ya han sido probados para otras estructuras basadas en silicio, como los monohilos o los nanolazos de silicio, concordando con las medidas practicas. Se ha evaluado el comportamiento de siliceno durante el proceso de litiacion y sus cambios de estructura,

Así se ha determinado que el siliceno ofrece una gran resistencia, como el grafeno y puede así hacer frente al principal problema de los ánodos de las baterías de Ion-litio, los grandes cambios de volumen que se producen al alojar los átomos de litio durante la carga, que en el caso del silicio cristalino es del 400% y para el siliceno se reduce al 24%, siendo el 10% en el caso del grafito que se usa hoy en día en las baterías.

Pero no es solo eso, según las investigaciones teóricas del grupo de la universidad de Peran y en colaboración con la escuela de ingeniería de Harvard, el siliceno permitirá una mejor difusión de los átomos de litios que el silicio cristalino con un potencial de trabajo plano, 2 características muy interesantes para su uso como material del ánodo.

La capacidad especifica para el ánodo de siliceno se calcula sobre los 715 y los 954 mAh/g mas del doble que la del grafito. No es una cifra muy alta comparada con predicciones anteriores basadas en el uso de silicio, pero se espera que el siliceno no sufra cambios estructurales irreversibles durante los procesos de carga y descarga, lo cual alarga notablemente la vida de las baterías.

El uso de una forma exótica de silicio llamado siliceno podría dar paso a una nueva generación de ordenadores mas rápidos y eficientes.

Hasta hace pocos años ¡, las posibilidades de fabricación de siliceno eran algo meramente teórico, sin embargo las enormes expectativas generadas por el grafeno, otro material con un grosor de un átomo, en este caso de carbono, represento un ejemplo  practico de como podía abordarse la elaboración de un material similar pero basto en silicio. Los investigadores comenzaron a pensar que también seria posible agrupar átomos de silicio para que integrasen una estructura similar a la del grafeno.

Ahora, por fin, se ha logrado demostrar que es factible trabajar con siliceno de manera equiparable a como se trabaja con el grafeno. 

En resumen, aunque algunos medios han afirmado que el siliceno es una alternativa firme al grafeno, por ahora, el grafeno no tiene competencia en la mayoría de las aplicaciones.

Una hoja bidimensional de siliceno no es (completamente) plana, como en el caso del grafeno. En la estructura más frecuente los átomos de Si consecutivos están dispuestos en planos que separados entre sí en la dirección perpendicular por unos 0,45 A (es decir, es muy similar a un plano (111) de Si). Por tanto, sus propiedades mecánicas bidimensionales no son tan buenas como las del grafeno. Pero lo más importante es que dificulta su fabricación por exfoliación. 

El gran problema del grafeno es cómo fabricarlo en masa. Gracias a que existe el grafito, que se puede exfoliar para obtener grafeno, hay tecnologías que prometen una fabricación en masa en la próxima década. Sin embargo, no existe el análogo al grafito para el siliceno (o para el germaneno). Fabricar siliceno por exfoliación química es posible, pero es muchísimo más difícil. Por tanto, no es razonable pensar que donde el siliceno tiene propiedades similares al grafeno pueda llegar a ser su sustituto.

 

En el año 2004 Andre Geim y Konstantin Novoselov anunciaron el aislamiento del grafeno, que es carbono puro, con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en forma de hoja bidimensional de sólo un átomo de espesor, siendo tan ligero que 1 metro cuadrado de grafeno pesa únicamente 0,77 miligramos. Sin embargo es  200 veces más fuerte que el acero pero 5 veces más ligero. Desde entonces las posibilidades y logros del grafeno están impulsando un gran desarrollo industrial de sus aplicaciones.

 

En el 2007 Lew Lok Yan Voon, un físico teórico del Colegio Militar de Carolina del Sur en Charleston, acuñó el nombre de siliceno para una hipotética estructura similar a la del grafeno, pero con átomos de silicio en lugar de átomos de carbono.

 

En el 2009 se obtuvieron la primeras nanocintas de siliceno y un año después, en el 2010, se les les concedió el Nobel de Física a Andre Geim y Konstantin Novoselov por su descubrimiento del grafeno.

 

En el año 2012 hasta seis diferentes grupos de investigación proclamaron haber obtenidos láminas de siliceno, asentadas sobre bases de plata. Sin embargo, dadas las dificultades de la obtención,  hasta hace relativamente poco tiempo muchos científicos dudaban de la existencia real del siliceno.

 

Si hasta el año 2011 se habían publicado menos de 700 trabajos sobre el siliceno, el interés sobre el mismo ha hecho que los trabajos sobre el mismo se multipliquen y sólo el pasado año las investigaciones superan las cifras de un millar.

 

La obtención de láminas de grafeno coincidió con la constatación de que el grafeno no era apto para la fabricación de transistores. El grafeno puede ser sustancia más conductora del mundo, pero le falta una característica crucial. A diferencia de los semiconductores utilizados en los chips de ordenador, carece de un boquete o “gap” de banda,  el obstáculo de energía que los electrones tienen que superar antes de que puedan llevar una corriente. Los boquetes de banda son los que permiten a los dispositivos con semiconductores encender y apagar y realizar operaciones ‘lógicas’ en bits.

 

Por el contrario, el siliceno posee un excelente “boquete” de banda, debido a que algunos de sus átomos permiten que algunos de sus electrones posean estados de energía ligeramente diferentes. Por ello, por  el conjunto de sus propiedades permite pensar de este nuevo material que está destinado a revolucionar el mundo de los microcomponentes y el uso del siliceno en circuitos electrónicos podría ser la base de procesadores mucho más veloces que los existentes hoy 

A día de hoy tanto el grafeno como el siliceno son dos materiales con unas potencialidades y posibilidades enormes. Eso sí, hay que reconocer que mientras no se solucione definitivamente el principal problema del siliceno (que no se ha sintetizado aislado sino sobre soportes) muchas de sus características predichas teóricamente no terminan de concretarse.

Por si faltaba poco en esta lucha fratricida, ha aparecido un nuevo material revolucionario. Me refiero al siligrafeno, un híbrido entre el grafeno y el siliceno que, según investigadores chinos y alemanes, podría solucionar los problemas individuales que presentan el grafeno y del siliceno. ¿Será esto cierto? Ya veremos. La ciencia se construye poco a poco. Por ahora toca, como siempre, seguir investigando.

Del siliceno se ha dicho que podría ser más adecuado que el grafenopara incorporarse a los productos electrónicos. La base de esta hipótesis es muy sencilla: la industria electrónica lleva más de medio siglo utilizando el silicio como componente preferente para las entrañas de sus productos. Es lógico pensar que un compuesto que consiste en átomos de silicio tenga mayor facilidad de adaptación que el grafeno, por ejemplo, basado en el carbono.

La investigación llevada a cabo por la Universidad de Texas no arroja luz en este sentido sino en el contrario.  el material aún está muy verde como para suponer una alternativa viable al silicio. Y también queda lejos del grafeno.

la creación de siliceno sobre una fina capa de plata. El conjunto se ha cubierto con óxido de aluminio para protegerlo. La mezcla se colocó sobre óxido de silicio, con la parte de plata hacia arriba, donde se practicaron ciertos patrones para hacer que el conjunto pudiera operar como transistor.

Y así fue. Sin embargo, los científicos no probaron el transistor de siliceno al aire libre, únicamente lo hicieron en condiciones de vacío. Ni que decir tiene esta prueba no es útil para la construcción de hardware en el mundo real, pero los investigadores la consideran como un primer paso hacia este objetivo. Aunque el éxito no es comparable a los logros obtenidos con grafeno, un material con el que ya se han podido fabricar transistores que operan en condiciones reales.

Para lo que sí ha servido la investigación es para confirmar algunas de las hipótesis sobre las propiedades del siliceno, que se habían obtenido a partir de modelos informáticos. El material permite a los electrones circular sin barreras y tiene cualidades eléctricas similares a las del grafeno.

En 2007, Lok Lew Yan Voon y Gian
Guzmán-Verri, ambos de la Wright State University en Dayton (Ohio), se propusieron buscar la forma de crear un material similar al grafeno pero que emplease como “ladrillos” básicos átomos de silicio. La idea era muy buena, ya que este material -al que por analogía con el otro se denominó siliceno- sería compatible con los componentes electrónicos de los chips actuales, construidos también con silicio. Pero había un problema: el silicio, por si solo, es incapaz de formar este tipo de estructura, ya que no posee de forma natural el tipo de enlaces necesarios para emular al grafeno. Como ocurre en estos casos, varios equipos pertenecientes a diferentes instituciones comenzaron a trabajar para superar esta dificultad. El primer trocito de siliceno, según explica Antoine Fleurence, un investigador del Japan Advanced Institute of Science and Technology en Ishikawa que lideró el equipo que lo construyó, se consiguió depositando los átomos de silicio sobre una superficie de material cerámico que hacia las veces de soporte. Observando la pequeña lámina por medio de rayos X comprobaron que tenía la misma estructura hexagonal presente en el grafeno.

Fleurence no era el único que iba detrás del siliceno. En la  Universidad de Provence en Marsella, el frances Guy Le Lay también se encuentra muy cerca de lograrlo. Le Lay no ha conseguido desarrollar láminas delgadas de siliceno, pero puede crear barras sólidas de ese material, que muestran la estructura interna hexagonal buscada. Así las cosas, parece que la colaboración entre estos dos equipos podría por fin proporcionar siliceno en grandes cantidades. Uno de los secretos del éxito puede ser utilizar plata en reemplazo de la cerámica.