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19SO C I E DA DJueves 16 de diciembre de 2010
PROYECTO UNAM¿Quiere dejar de fumar?La Clínica contra el Tabaquismo, de la Facultad de Medicina de la UNAM, brindaservicio a aquellas personas que quieran dejar de fumar y, con ello, tener una mejorsalud y calidad de vida. A partir de enero de 2011 puede llamar a los teléfonos54-24-18-47 y 56-23-21-02, para anotarse en la lista de grupos de tratamiento.
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Coordinador: Roberto Arturo Gutiérrez Alcalá ro b a rg u @ h o t m a i l . c o m
GRAFENO:UN MATERIAL DE“OTRO MUNDO”
Una simplecuriosidadte ó r i caEn un primer momento, el grafenofue una simple curiosidad teórica.De acuerdo al teorema de Mer-min-Wagner, un cristal bidimensio-nal no podía existir porque las fluc-tuaciones térmicas destruían el or-den de largo alcance.El primer artículo científico sobreel grafeno data de 1947, cuando elgrafito (que está formado por capasapiladas de grafeno, precisamente)se estudiaba mucho debido a queera uno de los componentes de losreactores nucleares.A mediados de la década de los años80 del siglo pasado, cuando para en-tender las propiedades electrónicasdel grafito era necesario saber quépasaba en dichas capas apiladas, elgrafeno atrajo especialmente laatención de los investigadores.En 1985 se descubrió el fulereno(por este hallazgo, Harold Kroto, dela Universidad de Sussex, y RobertCurl y Richard Smalley, de la Univer-sidad de Rice, ganaron el premio No-bel de Química 1996).En 1991 se descubrieron unos alam-bres de una dimensión, los llamadosnanotubos de carbono.Y en 2004, por fin, contradiciendo lafísica teórica, se pudo obtener en unlaboratorio un material de dos di-mensiones: el grafeno.
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C A PA S . Se obtuvieron capas degrafeno a partir de hojuelas de grafito
» Nuevos materialescompuestos conca rb o n oLos nuevos materiales compues-tos con carbono están comenzan-do a sustituir a los metales. Así, adiferencia de los aviones antiguos,que eran de aluminio y cuyas lá-minas se tenían que remacharuna por una, 50% del nuevoBoeing 787 está hecho de fibrade carbono, material que es tejidoy cocido en hornos.
» Movilidad cuánticor e l at iv i staLa movilidad de los electrones delgrafeno se rige por ecuacionescuántico relativistas, que son aná-logas a las ecuaciones que descri-ben el movimiento de partículasen los grandes aceleradores.
De ahí que muchos efectos quese pensaba que sólo podían estu-diarse con aparatos de 30 kilóme-tros de longitud, ahora se puedanexperimentar con un material quesale de la punta de un lápiz.
ALÓTROPOS DEL CARBONO
En química, la alotropía (del griego allos, otro; y tropos, manera) es la propiedad que poseen determinados elementos químicosde presentarse bajo estructuras moleculares diferentes. Los alótropos del carbono son:
Estamos a unos15 o 20 años
de desarrollar unmicroprocesador degrafeno; ya hay unadirección clara para lograresa meta”
Gerardo García Naumis,investigador del Instituto
de Física de la UNAM
Hace apenas seis años fue obtenido en laboratorio por doscientíficos rusos. Sus propiedades son asombrosas;y sus posibles aplicaciones tecnológicas, infinitasD
e la punta de un lápiz sepuede obtener algo nuncaantes visto, algo que parala física teórica no podíaexistir: un nuevo material
de sólo dos dimensiones, con propie-dades asombrosas: el grafeno.
En 2004, los físicos Andre Geim yKonstantin Novoselov, de la Universi-dad de Manchester, Inglaterra, obtu-vieron en laboratorio capas de grafenoa partir de un experimento que consis-tió en despegar repetidas veces una cin-ta adhesiva doblada e impregnada dehojuelas de grafito.
Seis años después, en octubre pasa-do, estos científicos rusos ganaron elPremio Nobel de Física 2010 debido asus notables aportaciones a la cienciabásica relacionadas con las propieda-des insólitas e impactantes de ese cris-tal de carbono bidimensional (algoque no podía existir) y con sus posi-bles aplicaciones tecnológicas.
“Los experimentos realizados con elgrafeno suponen un punto de inflexiónen los fenómenos de la física cuántica”,dijo el Comité de los Premios Nobel.
“El grafeno es el material más duro ydelgado jamás hallado (es un millón deveces menos grueso que una hoja de pa-pel). Es también el mejor conductor deelectricidad y de calor. Además, tienepropiedades ópticas interesantes”, ase-gura el doctor Gerardo García Naumis,quien encabeza un equipo de investiga-dores dedicado a su estudio teórico enel Instituto de Física de la UNAM.
Con el grafeno se podrán fabricar, enun futuro no muy lejano, aparatos elec-trónicos innovadores, transistores máseficientes que los actuales de silicio,procesadores más veloces, nuevos pa-neles de luz y celdas solares, y muchosotros productos y componentes muyfuertes y, al mismo tiempo, delgados,elásticos y translúcidos.
Además, mezclado con plásticos, se-rá un buen conductor de electricidad ymuy resistente al calor.
Lámina
El grafeno es una lámina formada porátomos de carbono dispuestos en losvértices de una red hexagonal que separece a un panal de abejas.
Esa lámina es como una autopistadonde la movilidad electrónica es 10veces mayor que en los mejores mate-riales conductores, lo cual permite quelos electrones conduzcan la electrici-dad con mucha más rapidez.
Gracias a esta cualidad, con el grafe-no se podrán sustituir los transistoresde silicio, los cuales ya no se pueden ha-cer más pequeños sin correr el riesgo deque se degraden rápidamente y gene-ren mucho calor, y con los nuevos tran-sistores de grafeno se podrán elaborarprocesadores de computadoras másveloces y ahorradores de energía.
Primer trabajo
El primer trabajo de García Naumis so-bre el grafeno, publicado en 2006 -dosaños después de la obtención en labo-ratorio de este primer cristal bidimen-sional- es una predicción teórica pararesolver el problema que implica cons-truir transistores con dicho material.
“En el grafeno es difícil ‘d e te n e r ’ loselectrones. Y en un transistor, éstos tie-nen que ser controlados como con unallave que a veces hay que cerrar y abrir,de manera que se puedan hacer unos yceros como si fueran pulsos de corrien-te ”, indica el investigador.
En el mencionado trabajo, GarcíaNaumis propuso dopar el grafeno conuna cierta concentración de átomos li-geros (de hidrógeno y litio, por ejem-plo), para generar un material semicon-ductor en el que sí se pueda controlar elflujo de electrones.
En 2009, un grupo de investigaciónde la Universidad de California, EU, de-mostró que los cálculos de esa propues-ta son correctos y que sí se pueden ha-cer transistores de grafeno.
El trabajo sobre el dopaje del grafeno,de García Naumis, fue incluido en elVirtual Journal of Nanotecnology, quepublica cada mes los mejores artículossobre esa materia a nivel mundial.
Predicción teórica
Otra alternativa más para controlar loselectrones de carbono es la irradiación
del grafeno a través de ondas electro-magnéticas (pueden ser ondas de radiou ondas de luz). Mediante este proceso,los electrones adquieren una “ma sae fe c t i va ” y, por lo tanto, se genera unafuerte respuesta no lineal.
“Predijimos que si el sistema es per-turbado con una frecuencia dada, gene-ra armónicos, o sea, responde con el do-ble o el triple de frecuencia. Por esteefecto no lineal, el grafeno podría traba-jar a frecuencias mucho más altas de lasesperadas, es decir, operar a velocida-des más rápidas de reloj”, explica.
Esta solución para controlar los elec-trones, que fue postulada con base en
un enfoque cuántico relativista porGarcía Naumis y su alumno de docto-rado Francisco López Rodríguez, fuecomprobada por varios investigadoresde la Universidad de Massachusetts, enEstados Unidos.
Una vez publicada por la editorial in-glesa Francis & Taylor, la solución fueincluida en el Philosophical Magazine yseleccionada como uno de los siete ar-tículos científicos más importantes re-lacionados con el Premio Nobel de Fí-sica de este año.
“Como nosotros somos teóricos, hi-cimos una predicción para controlar loselectrones del grafeno por medio de la
introducción de impurezas en éste y es-tablecimos una primera ecuación quenos permite obtener la respuesta de loselectrones del grafeno con camposelectro magnéticos. La solución de estaecuación tiene utilidad práctica: conella es posible diseñar transistores degrafeno, así como estudiar fenómenosa nivel cuántico relativista”, subraya elinvestigador universitario.
Analogía
Visto al microscopio, el grafeno es co-mo una sábana arrugada: plano, con li-geras ondulaciones, y no “plano plano”,como suponía la física teórica que debe-ría ser un cristal bidimensional.
García Naumis estudia en la actuali-dad qué le pasa a los electrones cuando“s i e n te n ” esas ondulaciones, lo que esequivalente a considerar partículas enun espacio curvo.
Así, para lograr una descripción delmovimiento de los electrones en el gra-feno, en el marco de la gravedad cuán-tica relativista, el investigador pumatrabaja, en colaboración con el cosmó-logo Richard Kerner, de la Universidadde París, Francia, en una analogía.
Un resultado preliminar de este pro-yecto son algunas ecuaciones que des-criben los electrones en ese espaciocurvo y que también son parecidas a lasecuaciones relativistas.
“Sin embargo, todavía hay que explo-rar más en esa analogía; quizás podríadar pistas que ayuden a relacionar lamecánica cuántica relativista con lagravedad, algo que no alcanzó a hacerAlbert Einstein”, comenta el investiga-dor Gerardo García Naumis.
Y todo esto, en principio, a partir deun material que puede desprenderse dela punta de un lápiz...
Más información al respecto en el co-rreo electrónico: naumis@ f isi-ca .unam .mx o al teléfono: 56-22-51-74.(Fernando Guzmán Aguilar)
CON DIMENSIÓN CERO:fulerenos (moléculasparecidas a pelotasde futbol, formadas porpentágonos y hexágonos)
CON DIMENSIÓN UNO:nanotubos (alambresde una dimensión)
CON DIMENSIÓN DOS:grafeno (capa hexagonal)
CON DIMENSIÓN TRES:grafito (planos dehexágonos) y diamantes(formados por tetraedros)
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AL MICROSCOPIO. El grafeno es como una sábana arrugada: plano, con ligeras ondulaciones
GERARDO GARCÍA NAUMIS
ESTUDIOS. Cursó la licenciatura,la maestría y el doctorado en físicaen la Facultad de Ciencias de laUniversidad Nacional Autónomade México
EXPERIENCIA. Hizo unposdoctorado en el laboratoriode gravitación y cosmologíacuánticas, en la Universidad de ParísVI. Ha sido profesor invitado enuniversidades de Estados Unidos,Portugal y Francia
LABOR. Es investigadordel Departamento de Física Químicadel Instituto de Física de la UNAM.Ha publicado numerosos artículosen revistas internacionalesy sus trabajos han sido citadosmás de 100 veces
RECONOCIMIENTO. En 2002fue considerado por el periódicoEL UNIVERSAL uno de los 104mexicanos más destacados menoresde 35 años
I N V E S T I G AC I Ó N . Sus líneasson cuasicristales, líquidos, sistemasdinámicos, sólidos desordenadosy transiciones de fase
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BOEING 787. La mitad de esteavión está hecho de fibra de carbono
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