El GRAFENO

INDICE

• EL Prometedor Grafeno • Grafeno • Descripción • Propiedades • Descrito en la década de 1930 • ¿La alternativa del Silicio? • Aplicación en electrónica • Un papel de Grafeno mas resistente y flexible que el acero • El primer procesador de plástico • Nuevo transistor de grafeno • Efecto de enfriamiento de nanoescala dentro de transistores

de grafeno • Orgánicamente integrable • Nuevo método para la producción masiva de grafeno. • Nueva forma de controlar las propiedades del grafeno. • El grafeno a un paso de cumplir su promesa revolucionaria. • Magnesio y hielo seco. • El Grafeno traerá chips más veloces. • Otros usos del grafeno. • Aplicaciones clínicas y medioambientales. • Grafeno en Argentina. • Aportes teóricos nacionales.

EL PROMETEDOR GRAFENO

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En el año 2004, los profesores de la Universidad de Manchester Andre

Geim y Kostia Novoselov descubrieron cómo conseguir grafeno, una

monocapa de un solo átomo de carbono, a partir de grafito. Una de las

curiosidades de este logro fue la curiosa técnica que utilizaron para crear la

muestra de material, ya que a partir de grafito (como el que encontramos en

la mina de cualquier lápiz) y con la ayuda de simple cinta adhesiva

consiguieron dejar una capa de tan solo el espesor de un átomo de carbono.

Desde entonces muchos los científicos se han interesado por este material,

tanto por el amplio abanico de sus posibles aplicaciones como por la base

física que subyace en las propiedades que presenta. Entre ellas destaca que

es el material más resistente que existe en la actualidad, mucho más fuerte

que el diamante y muchísimo más fino que el papel, y se le puede dar

formas muy distintas como nanotubos o fullerenos (estructuras moleculares

de carbono con forma de esfera hueca).

GRAFENO

El grafeno es una alotropía del carbono; la cual consiste en un teselado

hexagonal plano (como un panal de abeja) formado por átomos de carbono

y enlaces covalentes que se formarían a partir de la superposición de los

híbridos sp2 de los carbonos enlazados.

El Premio Nobel de Física de 2010 fue otorgado a Andre Geim y

Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos sobre el

material bidimensional grafeno.

La hibridación sp2 es la que mejor explica los ángulos de enlace, a 120°, de

la estructura hexagonal. Como cada uno de los carbonos tiene cuatro

electrones de valencia en el estado hibridado, tres de esos electrones se

alojarán en los híbridos sp2, formando el esqueleto de enlaces covalentes

simples de la estructura y el electrón sobrante, se alojará en un orbital

atómico de tipo p perpendicular al plano de los híbridos. La solapación

lateral de dichos orbitales es lo que daría lugar a la formación de orbitales

de tipo π. Algunas de estas combinaciones, entre otras, darían lugar a un

gigantesco orbital molecular deslocalizado entre todos los átomos de

carbono que constituyen la capa de grafeno.

El nombre proviene de GRAFITO + ENO.

En realidad, la estructura del grafito puede considerarse como una pila de

un gran número de láminas de grafeno superpuestas. Los enlaces entre las

distintas capas de grafeno apiladas se debe a fuerzas de Van der Waals e

interacciones entre los orbitales π de los átomos de carbono.

En el grafeno, la longitud de los enlaces carbono-carbono es de

aproximadamente 1,42 Å. Es el componente estructural básico de todos los

demás elementos grafíticos incluyendo el grafito, los nanotubos de carbono

y los fulerenos. Esta estructura también se puede considerar como una

molécula aromática extremadamente extensa en las dos direcciones del

espacio, es decir, sería el caso límite de una familia de moléculas planas de

hidrocarburos aromáticos policíclicos llamada grafenos.

Representación artística del grafeno.

Descripción

El grafeno perfecto se constituye exclusivamente de celdas hexagonales;

las celdas pentagonales o heptagonales son defectos. Ante la presencia de

una celda pentagonal aislada, el plano se arruga en forma cónica; la

presencia de 12 pentágonos crearía un fulereno. De la misma forma, la

inserción de un heptágono le daría forma de silla. Los nanotubos de

carbono de pared única son cilindros de grafeno.

El compendio tecnológico de la IUPAC establece: "anteriormente, se han

utilizado para el término grafeno descripciones como capas de grafito,

capas de carbono u hojas de carbono... no es correcto utilizar, para una sola

capa, un término que incluya el término grafito, que implica una estructura

tridimensional. El término grafeno debe ser usado sólo cuando se trata de

las reacciones, las relaciones estructurales u otras propiedades de capas

individuales". En este sentido, el grafeno ha sido definido como un

hidrocarburo aromático policíclico infinitamente alternante de anillos de

sólo seis átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo se

constituye de 222 átomos; 10 anillos de benceno.

Estructura cristalina del grafito en la que se observan las interacciones entre las distintas capas

de anillos aromáticos condensados.

Propiedades

Entre las propiedades más destacadas de este material se incluyen:

• Algunos científicos de la Universidad de Ilinois en Michigan

aseguran que tiene propiedades de autoenfriamiento.

• Alta conductividad térmica y eléctrica.

• Alta elasticidad y dureza.

• Resistencia (200 veces mayor que la del acero).

• El grafeno puede reaccionar químicamente con otras sustancias para

formar compuestos con diferentes propiedades, lo que dota a este

material de gran potencial de desarrollo.

• Soporta la radiación ionizante.

• Es muy ligero, como la fibra de carbono, pero más flexible.

• Menor efecto Joule; se calienta menos al conducir los electrones.

• Consume menos electricidad para una misma tarea que el silicio.

Otras propiedades interesantes desde el punto de vista teórico son las

siguientes:

• Los electrones que se trasladan sobre el grafeno se comportan como

cuasipartículas sin masa. Son los llamados fermiones de Dirac.

Dichos fermiones se mueven a una velocidad constante

independientemente de su energía (como ocurre con la luz), en este

caso a unos 106 m/s. La importancia del grafeno, en este aspecto,

consiste en estudiar experimentalmente este comportamiento que

había sido predicho teóricamente hace más de 50 años.

• El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el

cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores

discretos, o cuantizados, permitiendo esto medirla con una precisión

increíble. La cuantización implica que la conductividad del grafeno

nunca puede ser cero (su valor mínimo depende de la constante de

Planck y la carga del electrón).

• Debido a las propiedades anteriores, los electrones del grafeno

pueden moverse libremente por toda la lámina y no quedarse

aislados en zonas de las que no pueden salir (efecto llamado

localización de Anderson, y que es un problema para sistemas

bidimensionales con impurezas).

Es casi completamente transparente y tan denso que ni siquiera el átomo de

helio, cuyos átomos son los más pequeños que existen (sin combinar en

estado gaseoso) puede atravesarlo.

Descrito en la década de 1930

El repentino aumento del interés científico por el grafeno puede dar la

impresión de que se trata de un nuevo material. La realidad, sin embargo,

es que el grafeno ha sido conocido y descrito desde hace al menos medio

siglo. El enlace químico y su estructura se describieron durante la década

de 1930, mientras la estructura de bandas electrónica fue calculada por

primera vez por Wallace en 1949. La palabra grafeno fue oficialmente

adoptada en 1994, después de haber sido usada de forma indistinta con

monocapa de grafito, en el campo de la ciencia de superficies.

Además, muchas nanoestructuras recientemente descubiertas, como los

nanotubos de carbono, están relacionadas con el grafeno. Tradicionalmente,

los nanotubos de carbono se han descrito como hojas de grafeno enrolladas

sobre sí mismas, y de hecho las propiedades de los nanotubos de carbono

se describen y entienden fácilmente en términos de las del grafeno. Se ha

descrito también la preparación de nanotiras de grafeno mediante

nanolitografía mediante un microscopio de efecto túnel.

¿LA ALTERNATIVA AL SILICIO? Otra de sus propiedades es que conduce la electricidad mucho mejor que

la mayoría de los materiales, ya que los electrones viajan a través del

grafeno sin dispersarse. Ello ha llevado a pensar que estamos ante una

posible alternativa a la electrónica basada en el silicio, más eficiente y

económica y también mucho más rápido.

El equipo de la Universidad de Manchester con el que trabaja Novoselov

ha desarrollado un transistor de grafeno. Una lámina de este material

puede ser cortada en pequeñas cintas de tan solo 10 nanómetros de anchura

y 0,1 nanómetros de espesor y seguir siendo estable y conductora, lo que

haría que la industria pudieran desarrollar componentes electrónicos

muchísimo más pequeños de lo que permite el silicio. La miniaturización

haría posible integrar mayor cantidad de transistores en un solo chip, lo que

se traduciría en una mayor velocidad de procesamiento.

En alguno de los muchos artículos dedicados a este tema se comenta la

posibilidad de que, dentro de diez o quince años, los móviles, ordenadores

y dispositivos electrónicos en general estarán hechos de grafeno en lugar de

silicio. Kostia Novoselov, por el contrario, opina que probablemente el

grafeno ayudará a mejorar la tecnología derivada del silicio, pero no

sustituyéndola sino mejorándola, es decir, grafeno y silicio son compatibles

y podrían formar parte del mismo dispositivo.

Aplicación en electrónica

El grafeno tiene propiedades ideales para ser utilizado como componente

en circuitos integrados. El grafeno tiene una alta movilidad de portadores,

así como un bajo nivel de ruido, lo que permite que sea utilizado como

canal en transistores de efecto de campo (FET). La dificultad de utilizar

grafeno estriba en la producción del mismo material, en el substrato

adecuado. Los investigadores están buscando métodos como la

transferencia de hojas de grafeno desde el grafito (exfoliación) o el

crecimiento epitaxial (como la grafitización térmica de la superficie del

carburo de silicio - SiC). En diciembre de 2008, IBM anunció que habían

fabricado y caracterizado transistores operando a frecuencias de 26GHz. En

febrero del 2010, la misma IBM anunció que la velocidad de estos nuevos

transistores alcanzaba los 100 GHz.

En septiembre del 2010 se alcanzaron los 300 GHz.

Es increíble lo que se podrá hacer con el grafeno en un futuro próximo, la

última gran novedad en la investigación de este material consiste en

producir energía eléctrica desde una corriente de agua sobre una lámina de

grafeno.

Gracias al grafeno móviles serán flexibles, transparentes y mucho más

rápidos.

Un papel de grafeno más resistente y flexible que el acero

El equipo liderado por Ali Reza Ranjbartoreh perteneciente a la

Universidad Tecnológica de Australia, ha presentado un innovador material

desarrollado a base de láminas de grafito a escala de un átomo prensadas.

El resultado son laminas del grosor del papel de grafeno, este material

presenta entre sus propiedades muestra un grado de resistencia en relación

al acero dos veces superior. Debido a esta combinación de flexibilidad y

resistencia, ofrece un increíble potencial para su aplicación en industrias

como, automotriz, aviación, industria eléctrica y óptica.

Investigadores belgas del Imec crean el primer procesador de

plástico

Un móvil que se dobla y se convierte en reloj o una tableta tan elástica

como la goma. Así serán los aparatos del futuro gracias a los nuevos

materiales que se cuecen en laboratorios. Según los investigadores, el

grafeno, el siliceno (derivados del grafito y el silicio), los polímeros

conductores o determinados óxidos de metales revolucionarán la

electrónica de consumo, al permitir construir baterías flexibles,

procesadores más rápidos y pantallas transparentes más finas que el papel.

El belga Jan Genoe apuesta por ello. “En unos años podremos incluir

microprocesadores de plástico y pantallas hasta en paquetes de galletas.

Cogerás una, apretarás un botón en la caja y sabrás sus ingredientes y

calorías”, asegura. Genoe ha dirigido el equipo del instituto Imec de

nanoelectrónica de Lovaina (Bélgica) que acaba de producir el primer

microprocesador de plástico del mundo.

Nuevo transistor de grafeno desarrollado por IBM capaz de

operar hasta una frecuencia de 155GHz

Un nuevo transistor de grafeno desarrollado por IBM es capaz de operar

hasta una frecuencia de 155GHz. El componente es un 50% más rápido que

su predecesor y tiene una muy buena capacidad de eliminar el calor de su

interior, por lo que no necesita ser refrigerado para operar a dicha

velocidad. Lo anterior es posible gracias a las sorprendentes características

del grafeno, que como sabemos en un asombroso material que permite a los

electrones moverse por su interior a mayor velocidad que en el silicio.

Físicos demuestran existencia de efecto de enfriamiento de

nanoescala dentro de transistores de grafeno

Los físicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC) han

demostrado recientemente la existencia de un efecto de enfriamiento de

nanoescala dentro de transistores de grafeno. Estas estructuras son

aparentemente capaces de reducir sus propias temperaturas, revela el

equipo.

Estas son las primeras observaciones de tales efectos termoeléctricos que

tendrán lugar en el punto de contacto entre los transistores de grafeno. Los

resultados tienen enormes implicaciones para la industria electrónica. En

este punto, la cuestión con los equipos es el grado de miniaturización

permitido por la tecnología actual es la creación de transistores que se

ponen extremadamente calientes durante las operaciones normales. Se

refrigeran activamente a través de sistemas basados en agua o ventiladores,

y estos sistemas consumen mucha energía.

Los transistores regulares se calientan debido a un proceso llamado

calefacción resistente, que se produce cuando los electrones que fluyen a

través de los dispositivos se ven obstaculizados y no pueden pasar. Esto

genera pérdida y es una de las principales razones por qué todos los

electrónicos de hoy en día se calientan. Hay algunos efectos

termoeléctricos en transistores regulares que también enfríen el dispositivo,

pero la influencia de la calefacción resistente ahora supera a estos efectos,

explica el profesor de ingeniería y ciencia mecánica en UIUC, William

King, el líder de la nueva investigación.

Según las palabras de William King: “En el silicio y la mayor parte de

materiales conocidos, el calentamiento eléctrico es mucho mayor que la

capacidad de disipar ese calor. Sin embargo, hemos descubierto que hay

zonas en los transistores de grafeno en las que el enfriamiento

termoeléctrico es superior a la acumulación de calor, lo que permitiría, en

teoría, diseñar dispositivos que se autoenfriasen sin ayuda externa. Es la

primera vez que se observa esta cualidad en los dispositivos de grafeno”

Eric Pop, un profesor de eléctrica e informática en la misma universidad,

fue el colíder del estudio. El nuevo trabajo fue publicado en la edición en

línea del 3 de abril de la revista Nature Nanotechnology, informa

EurekAlert. En este punto, se dice que la industria electrónica es dirigida

hacia la sustitución de silicio con grafeno en cuanto al material principal

para realizar los transistores. Este último es un compuesto de carbono, que

tiene una forma hexagonal, no hay resistencia al paso actual y la estructura

más fuerte jamás descubierta en la naturaleza.

Debido al hecho de que el grafeno es sólo un átomo de espesor, los

expertos todavía tienen que comprender plenamente la complejidad de los

fenómenos relacionados con la generación y distribución de calor dentro de

este material. El compuesto de carbono fue descubierto hace 6 años, y

todavía hay muchas cosas que aprender al respecto. En la nueva

investigación, el equipo UIUC utilizó la punta de un microscopio de fuerza

atómica (AFM) para medir la temperatura de un transistor de grafeno. Los

resultados sorprendieron incluso a los investigadores.

En el punto de contacto entre los transistores de grafeno y su conexión de

metal, los efectos de refrigeración termoeléctrica predominaban delante de

la calefacción resistente. Esto significa que la temperatura del transistor

estaba en realidad bajando mientras operaba, en vez de aumentar, como

pasa con los transistores de silicio. ”En silicio y la mayoría de los

materiales, la calefacción electrónica es mucho mayor que la auto-

refrigeración. No obstante, hemos encontrado que en estos transistores de

grafeno, hay regiones donde la refrigeración termoeléctrica puede ser

mayor que la calefacción resistente, lo que permite que estos dispositivos

se enfríen por sí mismos”, dice King.

“Este auto-refrigeración jamás ha sido observada para los dispositivos de

grafeno”, añade él. ”Los electrónicos de grafeno están todavía en su

infancia; sin embargo, nuestras mediciones y simulaciones muestran que

los efectos termoeléctricos se incrementarán mientras que la tecnología de

transistores de grafeno y los contactos mejoran”, añade Pop.

Las publicaciones especializadas bullen con artículos que presentan a esta

estructura de carbono como la Panacea universal en la tecnología y el

reemplazo de dispositivos de Silicio por Grafeno; pero no toda la

comunidad científica comparte este optimismo por el Grafeno. El célebre

físico holandés Walt De Heer afirma que "el grafeno nunca reemplazará al

silicio". "Nadie que conozca el mundillo puede decir esto seriamente.

Simplemente, hará algunas cosas que el silicio no puede hacer. Es como

con los barcos y los aviones. Los aviones nunca reemplazaron a los

barcos".

Además el Grafeno no tiene una banda de resistividad, propiedad esencial.

Eso significa que el grafeno no puede parar de conducir electricidad, no se

puede apagar. En cambio el Silicio sí tiene dicha banda.

Orgánicamente integrable.

Al estar construido por carbono, su integración con las células vivas es una

característica natural. De hecho, como explica Palacios, se ha abierto una

línea de investigación en la que se ha podido unir la electrónica basada en

grafeno con la biología, al crear un sensor sobre el que se depositan células

vivas. Como éstas se comunican mediante impulsos eléctricos y químicos,

el equipo de Palacios ha utilizado el grafeno para medir dichos impulsos y

poder estudiar cómo se comunican las células entre sí. Este paso es

realmente innovador pues como explica Palacios:

El objetivo es desarrollar nuevos instrumentos no intrusivos para el estudio

celular. Hasta ahora, médicos y biólogos sólo podían observar las células

bajo el microscopio o pincharlas para medir su voltaje. “Con este nuevo

instrumento se logra obtener la misma información, pero sin dañar la

célula. Como este material sólo tiene un átomo de espesor, cualquier

cambio que se produce en la célula (composición química, voltaje…)

depositada sobre el sensor modifica la conductividad del grafeno”, y añade:

“Saber cómo éstas se comunican, es el primer paso para entender el

funcionamiento de órganos como el cerebro y cómo las células responden

ante medicamentos y enfermedades”.

Nuevo método para la producción masiva de grafeno

Investigadores del Rensselaer Polytechnic Institute han desarrollado un

nuevo método simple para producir grandes cantidades de grafeno. La

nueva técnica funciona a temperatura ambiente, necesita poco

procesamiento y allana el camino para la producción masiva y rentable de

grafeno.

Un equipo de investigadores interdisciplinarios, liderado por Swastik Kar,

profesor asistente de investigación en el departamento de física, física

aplicada y astronomía de Rensselaer, ha ayudado a la ciencia a dar un paso

más en el importante objetivo de producir el grafeno en grandes cantidades.

Sumergiendo grafito en una mezcla de ácido orgánico diluido, alcohol, y

agua, y luego exponiéndolo al sonido ultrasónico, el equipo descubrió que

el ácido actúa como una “cuña molecular”, que separa hojas de grafeno del

grafito padre. El proceso resulta en la creación de grandes cantidades de

grafeno intacto y de alta calidad disperso en el agua. Kar y su equipo

utilizaron el grafeno para construir sensores químicos y súper

condensadores.

“Existen otras técnicas conocidas para la fabricación de grafeno, pero

nuestro proceso es ventajoso para la producción en masa, ya que es de bajo

costo, se realiza a temperatura ambiente, carece de productos químicos

perjudiciales, y por lo tanto es amistosa a un número de tecnologías donde

existen limitaciones ambientales y de temperatura”, dijo Kar. “El proceso

no necesita cámaras de ambiente controlado, lo que aumenta su sencillez

sin comprometer su capacidad de ampliación. Esta simplicidad nos

permitió demostrar directamente aplicaciones de alto rendimiento

relacionadas con detección ambiental y almacenamiento de energía, que se

han convertido en temas de importancia global”.

Los resultados del estudio, titulado “Stable Aqueous Dispersions of Non-

Covalently Functionalized Graphene from Graphite and their

Multifunctional High-Performance Applications”, fueron publicados en

línea el jueves, 17 de junio de 2010, por la revista Nano Letters. El estudio

también será el tema de portada de la edición impresa de noviembre de

Nano Letters.

Nueva forma de controlar las propiedades electrónicas de

“aleaciones” de grafeno

Científicos de materiales de la Universidad Rice han hecho un

descubrimiento fundamental que podría hacer más fácil para los ingenieros

construir circuitos electrónicos del muy promocionado nanomaterial

grafeno.

El grafeno es una capa de átomos de carbono que es de solo un átomo de

espesor. Cuando se apilan una sobre otra, las hojas de grafeno forman

grafito, el material encontrado en los lápices de todo el mundo. Gracias a

las herramientas de la nanotecnología, los científicos de hoy pueden hacer,

manipular y estudiar el grafeno con facilidad.

Sus propiedades únicas lo hacen ideal para crear más rápidos y más

eficientes ordenadores y otros dispositivos nanoelectrónicos. Sin embargo,

hay obstáculos. Para hacer pequeños circuitos de grafeno, los ingenieros

deben encontrar maneras de crear patrones intrincados de grafeno que están

separados por un material no conductor similar en grosor.

Una posible solución es el “grafeno blanco,” hojas de un solo átomo de

espesor de boro y nitrógeno que son físicamente similares a los de grafeno,

pero son eléctricamente no conductoras.

En un nuevo artículo en la revista Nano Letters, el científico de materiales

de Rice Boris Yakobson y sus colegas describen un descubrimiento que

podría hacer posible para los diseñadores nanoelectrónicos utilizar

procedimientos químicos bien entendidos para controlar con precisión las

propiedades electrónicas de “aleaciones” que contienen grafeno blanco y

negro.

“Hemos encontrado que existe una relación directa entre las propiedades

útiles del producto final y las condiciones químicas existentes mientras se

realiza,” dijo Yakobson. “Si hay más boro disponible durante la síntesis

química, conduce a aleaciones con un cierto tipo de disposición geométrica

de átomos. La belleza del hallazgo es que podemos predecir con precisión

las propiedades electrónicas del producto final basado únicamente en las

condiciones – técnicamente hablando, el llamado ‘potencial químico’ – en

la síntesis.”

El grafeno a un paso de cumplir su promesa revolucionaria

Dos recientes avances pueden hacer que el grafeno se convierta en una

promesa cumplida, y que salga del laboratorio para formar parte de

dispositivos tecnológicos reales. El grafeno es una de esas grandes

promesas de la ingeniería de materiales que, desde su aparición en 2004,

todavía está en vías de demostrar su real valor práctico.

Hasta ahora el grafeno pertenecía más al campo de la ciencia que de la

tecnología ya que las técnicas para producirlo eran limitadas y sus

aplicaciones sólo existían a nivel teórico, pero dos recientes avances

pueden hacer que el grafeno se convierta en una promesa cumplida, y que

salga del laboratorio para formar parte de dispositivos tecnológicos reales,

el primero de los avances es a nivel de su manufactura.

Magnesio y hielo seco

Hasta ahora el grafeno se “cultivaba” a temperaturas sofocantes, utilizando

una técnica denominada deposición química de vapor. “En este proceso, se

hace pasar una mezcla de gases por sobre un metal -una película de cobre o

níquel- calentado a 1.000°C, que funciona como catalizador”, explicó

Daniil Stolyarov, director de tecnología de Graphene Laboratories.

“Moléculas de metano se descomponen sobre la superficie del metal y

liberan átomos de carbono, que luego se ensamblan conformando una

película de grafeno”. Es un sistema complejo, que da un muy bajo

rendimiento.

El segundo gran avance que emociona a los científicos de materiales está

vinculado a una posible aplicación del grafeno, sus propiedades de Pero

ahora investigadores de la Nothern Illinois University (NIU) han

encontrado una forma mucho más fácil de producir grafeno a gran escala,

quemando magnesio en hielo seco, los científicos aseguran que el método

es simple, rápido y tiene un menor impacto ambiental, el equipo que

publicó sus hallazgos en la revista Journal of Materials Chemistry, dijo que

logró producir grafeno de “unas pocas capas”, de varios átomos de espesor,

este descubrimiento de la NIU ocurrió mientras los investigadores

experimentaban con la creación de nanotubos de carbón. ”Nos sorprendió a

todos”, dijo Narayan Hosmane, profesor de química y bioquímica.

El Grafeno traerá chips más veloces

Conducción eléctrica son bien conocidas, y los diseñadores de chips han

venido soñando con la posibilidad de desarrollar procesadores basados en

grafeno. En 2010 IBM dio los primeros pasos al crear un sencillo transistor

de grafeno, pero este mes la compañía anunció que fue más allá: integró el

transistor en un tipo de circuito llamado mezclador de frecuencias de banda

ancha (broadband frequency mixer, en inglés), componente esencial de

televisores, teléfonos celulares y radios.

“Cuando una estación de radio transmite a través del espacio, lo onda que

llega al receptor es de alta frecuencia y no puede escucharse, así que debe

convertirse a una baja frecuencia, audible”, dijo a la BBC el científico que

lidera el proyecto, Phaedon Avouris. IBM dice que su investigación es un

importante hito de cara al futuro de los dispositivos con conexión de datos

inalámbrica.

Tal vez más importante sea que ha demostrado ahora es la capacidad de

crear circuitos integrados de grafeno. En el pasado los científicos han

tenido dificultades cuando intentaban preservar la integridad del material

durante el proceso de grabado de silicio. Lograr que funcionara junto a

otros materiales con los que se fabrican chips también ha resultado

problemático.

“Nuestro trabajo demuestra que el grafeno se puede utilizar en forma

práctica, ya no es un material individual”. Otro científico del proyecto, Yu-

Ming Lin, explicó que “esta es la primera experiencia de producción a

escala de oblea (en referencia a las obleas de silicio que forman la base de

producción de los chips) de un circuito integrado con grafeno; y

demostramos que el grafeno se puede combinar con otros elementos, lo que

brinda un mayor rendimiento y da funcionalidades más complejas a un

circuito”.Los resultados parecen sorprendentes. En el trabajo que publicó

en la revista Science, el equipo explicó que el circuito podía operar a altas

frecuencias, de hasta 10GHz (10.000 millones de ciclos por segundo) y a

temperaturas de hasta 127°C.

El Grafeno da grandes sorpresas

El trabajo de IBM sorprendió a muchos aún a uno de los descubridores del

grafeno. “Nunca sospeché que llegaríamos a este punto tan pronto”, dijo

Konstantin Novoselov, de la Manchester University. Él, junto a su colega

Andre Geim, son los responsables del hallazgo -en 2004- de este material

altamente conductivo, de gran tenacidad y transparencia.

Yu-Ming Lin y Phaedon Avouris forman parte del equipo de IBM que

investiga aplicaciones del grafeno, estos científicos consiguieron extraer

grafeno cuando experimentaban con cinta adhesiva y el material de los

lápices, grafito. Por este descubrimiento obtuvieron el premio Nobel.

“El circuito integrado (desarrollado por IBM) es un lógico paso hacia

adelante, y está en un punto medio entre los primeros experimentos y

posibles usos del material en la vida real”, dijo Novoselov. “Pero me

sorprendió que alguien lograra hacerlo tan pronto”.

Otros usos del Grafeno

Gigantes de la electrónica, al igual que pequeños laboratorios, ávidos de

contar con componentes electrónicos más pequeños, rápidos, térmicamente

estables y poderosos que los actuales, tienen al grafeno en la mira.

Samsung ha realizado fuertes inversiones en investigaciones sobre el

grafeno, y Nokia ha anunciado recientemente planes para asociarse con

terceras partes -como los ganadores del Nobel- para explorar las

potencialidades del grafeno. Más allá de la electrónica, el grafeno se podría

utilizar en óptica y en el desarrollo de materiales compuestos.

En laboratorios alrededor del mundo ya se han desarrollado prototipos que

utilizan grafeno, y sus posibilidades no parecen tener límites. También ha

atraído la atención de los biólogos, ya que por sus propiedades de

transparencia, resistencia y conductividad lo haría un candidato ideal como

componente de microscopios electrónicos de transmisión. Samsung ha

prometido que lanzará en el futuro cercano su primer teléfono celular con

pantalla de grafeno.

Andrea Ferrari, de la Universidad de Cambridge, dice que más allá de ser

totalmente flexible, una pantalla táctil hecha de grafeno podría ofrecer una

“impresionante” respuesta. Pasamos de botones físicos a pantallas táctiles;

el próximo paso es integrar algunas capacidades sensibles”, dice Ferrari.

“Su teléfono podrá percibir si lo está tocando, percibirá el entorno; y no

tendrá que apretar un botón para encenderlo, el aparato reconocerá si está

siendo utilizado”.

También dijo que un día no hará falta llevar dispositivos GPS (de

posicionamiento satelital global), ya que podrían estar entretejidos en

nuestras ropas, junto con otros dispositivos hechos de grafeno. ”Además de

GPS uno podría tener algo que controle, por ejemplo, el ritmo cardíaco,

integrado en la tela”, dice Ferrari. El grafeno ayudaría, inclusive, a que los

aviones se “comuniquen” con sus pilotos.

El científico explicó que las propiedades eléctricas del grafeno varían

según la tensión a la que se lo somete, como cuando hay fuertes vientos,

por caso. Así que el fuselaje de un avión podría ser capaz de “sentir” si está

sometido a grandes o pequeñas fuerzas y dar esa información a la cabina,

sin necesidad de tener sensores extra.

Aplicaciones clínicas y medioambientales.

Se están investigando las propiedades antibacterianas de este material.

Como ejemplo, podemos mencionar el trabajo de los de investigadores del

Shanghai Institute of Applied Physics (China). Este equipo ha intentado

crecer diversas cepas bacterianas sobre papel de óxido de grafeno, y células

humanas. Las bacterias no pudieron crecer sobre el papel, mientras que no

se observó ningún efecto adverso sobre las células. Así, dado el efecto

antibacteriano del grafeno y el hecho de que puede ser producido en

grandes volúmenes, este material podría utilizarse para vendajes, envases

para alimentos o para fabricar prendas de vestir y calzado sin olor.

A diferencia de lo que pueda parecer a primera vista, el impacto del

descubrimiento de cada uno de los materiales grafíticos en la sociedad, en

general, y en la comunidad científica, en particular, ha sido muy distinto.

Así, hasta finales del siglo XX, sólo se conocían las tres formas básicas de

carbono: diamante, grafito y carbono amorfo. Fue a mediados de la década

de los ´80 cuando se descubrió el primer fulereno [15]; en los 25 años

transcurridos desde entonces se han publicado alrededor de 12000 artículos

sobre fulerenos.

A principios de la década de los ´90 se publicó el primer trabajo sobre

nanotubos de carbono [16]; a día de hoy -20 años después- hay 35000

artículos sobre estos materiales, lo que hizo pensar a los investigadores que

la revolución en la Nanotecnología ya se había producido. Sin embargo, en

2004, como se ha mencionado antes, Novoselov, Geim y colaboradores

mostraron que era posible aislar una lámina de grafito y era estable [2,3]; a

día de hoy -sólo 6 años después- ya se han publicado más de 9000 artículos

científicos sobre grafeno, con un incremento espectacular a partir del año

2004.

Evolución del número de artículos publicados sobre grafeno y citas a los mismos desde el año 1992 hasta nuestros días. El aumento exponencial producido a partir de 2004 es espectacular. En sólo 6 años, se han publicado más de 9000 artículos científicos en revistas del Science Citation Index y han sido citados más de 65000 ocasiones. Fuente: Web of Science

Grafeno en Argentina

En nuestro país el investigador Luis Foa Torres (32) Dr. en Física,

investigador adjunto del Instituto de Física Enrique Gaviola (CONICET) y

profesor adjunto de la FaMAF, en la Universidad Nacional de Córdoba,

nos dice “Nuestro trabajo se centra principalmente en el estudio de las

propiedades eléctricas de materiales nanoestructurados, notablemente

materiales basados en carbono como los nanotubos de carbono y el

grafeno. Mis primeras experiencias con estos materiales se remontan al

2005 cuando trabajaba para la Comisión de Energía Atómica de Grenoble

(Francia), una línea que continué luego en Dresden (Alemania) y

posteriormente aquí en Córdoba, donde desde el 2009 trabajo junto a un

pequeño equipo de investigadores”.

Aportes teóricos nacionales

En una publicación científica reciente el Dr. Luís Foa Torres2 ,

conjuntamente con otros científicos, estudiaron las propiedades de

transporte de cargas cuando las láminas de grafeno se someten a esfuerzos

mecánicos como se indica en la figura 3 (en este caso la fuerza es uniaxial).

Se encuentra que la conductancia eléctrica tiene altas influencias debido a

la simetría de los bordes de las láminas de grafeno. Se comparan los

bordes brazos de silla y zigzag.

Mientras que los bordes zigzag resultan altamente resistentes a los

esfuerzos de corte por fuerzas mecánicas, en la configuración tipo brazo de

silla se induce una brecha energética generando así una transición metal-

semiconductor. Estos novedosos resultados ubican a las tipo brazos de silla

en una opción mucho mejor para aplicaciones electromecánicas. En

palabras del autor “En algunas condiciones, nuestras simulaciones

computacionales predicen que la tensión puede hacer que el sistema,

originalmente conductor, se vuelva un semiconductor o viceversa. Esto

podría ser de gran utilidad para la generación de nuevos dispositivos nano-

electromecánicos”

El Dr. Luís Foa Torres dice además “su obtención en el laboratorio no

requiere de elementos costosos ni exóticos: el grafeno puede aislarse a

partir del grafito, el material de la mina de lápiz, el mismo que todos

usamos en la escuela. Reexaminando un material conocido, con tenacidad y

voluntad para ir más allá del camino marcado, Geim y Novoselov lograron

un descubrimiento revolucionario que podría marcar el inicio de una nueva

era.”

También podemos encontrar en la reunión de la AFA de este año en

Malargüe, Mendoza, dos resúmenes de sus últimos trabajos en progreso

bajo los títulos “Bombeando electrones en materiales basados en carbono:

la influencia de los defectos” (P584) y “Nano-dispositivos en el límite

cuántico: transporte alterno en un mundo de carbono” (P210).

Y aún se habla de multitud de otras propiedades y aplicaciones del grafeno:

Internet cuántico, nano-burbujas de grafeno que crean los campos pseudo-

magnéticos más altos nunca conocidos, la mayor velocidad de giro nunca

vista (60 millón rpm), el globo más fino del mundo -impermeable, incluso,

a las moléculas de gas más pequeñas-, etc., etc. Ése es el poder que existe

detrás del grafeno: por su estructura y composición tiene propiedades

superlativas, y poseemos de partida un conocimiento –sobre el carbono-

que nos permite proponer nuevas aplicaciones nunca imaginadas antes.

Aún queda mucho camino por recorrer -por ejemplo, la producción de

grandes volúmenes de grafeno de alta calidad es aún un reto-. Sin embargo,

la cantidad de información de la que ya se dispone es ingente gracias al

esfuerzo de multitud de grupos de investigación de todo el mundo. En este

contexto, el objetivo de este documento ha sido acercarles a una pequeña

fracción de esa información e invitarles a seguir la pista de estas

fascinantes investigaciones. Merece la pena ya que, si se cumplen las

predicciones de los Premios Nobel, pronto veremos cómo este material

empieza a tener un impacto extraordinario en nuestra vida cotidiana.

FUENTES: .http://ciencianet.com.ar http://grafeno.com http://recursostic.educacion.eshttp://es.wikipedia.org/wiki/Grafeno

Este trabajo fue realizado por los siguientes alumnos: Aguilar, Nestor

Duarte, Gustavo González, Adrián