En 2010, Geim y Novoselov ganaron el Premio Nobel de Física por su trabajo sobre el grafeno. Este premio ha dejado una profunda huella en muchas personas. Al fin y al cabo, no todas las herramientas experimentales premiadas son tan comunes como la cinta adhesiva, ni todos los objetos de investigación son tan mágicos y fáciles de comprender como el grafeno, un "cristal bidimensional". El trabajo de 2004 puede ser premiado en 2010, algo poco común en el historial de premios Nobel de los últimos años.
El grafeno es un tipo de sustancia que consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos estrechamente en una red hexagonal bidimensional en forma de panal. Al igual que el diamante, el grafito, el fulereno, los nanotubos de carbono y el carbono amorfo, es una sustancia (sustancia simple) compuesta de elementos de carbono. Como se muestra en la figura a continuación, los fulerenos y los nanotubos de carbono pueden verse como enrollados de alguna manera a partir de una sola capa de grafeno, que está apilada por muchas capas de grafeno. La investigación teórica sobre el uso del grafeno para describir las propiedades de varias sustancias simples de carbono (grafito, nanotubos de carbono y grafeno) ha durado casi 60 años, pero generalmente se cree que tales materiales bidimensionales son difíciles de existir de forma estable por sí solos, solo unidos a la superficie del sustrato tridimensional o dentro de sustancias como el grafito. No fue hasta 2004 que Andre Geim y su estudiante Konstantin Novoselov separaron una sola capa de grafeno del grafito mediante experimentos que la investigación sobre el grafeno logró un nuevo desarrollo.
Tanto el fulereno (izquierda) como el nanotubo de carbono (centro) pueden considerarse como enrollados de alguna manera por una sola capa de grafeno, mientras que el grafito (derecha) está apilado por múltiples capas de grafeno a través de la conexión de la fuerza de van der Waals.
Hoy en día, el grafeno se puede obtener de muchas maneras, y los diferentes métodos tienen sus propias ventajas y desventajas. Geim y Novoselov obtuvieron grafeno de una manera simple. Usando cinta transparente disponible en supermercados, pelaron el grafeno, una lámina de grafito con solo una capa de átomos de carbono de espesor, de un trozo de grafito pirolítico de alto orden. Esto es conveniente, pero la controlabilidad no es tan buena, y solo se puede obtener grafeno con un tamaño de menos de 100 micras (una décima de milímetro), que se puede usar para experimentos, pero es difícil de usar para aplicaciones prácticas. La deposición química de vapor puede hacer crecer muestras de grafeno con el tamaño de decenas de centímetros en la superficie del metal. Aunque el área con orientación consistente es de solo 100 micras [3,4], ha sido adecuada para las necesidades de producción de algunas aplicaciones. Otro método común es calentar el cristal de carburo de silicio (SIC) a más de 1100 ℃ al vacío, de modo que los átomos de silicio cerca de la superficie se evaporen y los átomos de carbono restantes se reorganicen, lo que también puede obtener muestras de grafeno con buenas propiedades.
El grafeno es un nuevo material con propiedades únicas: su conductividad eléctrica es tan excelente como la del cobre y su conductividad térmica es superior a la de cualquier material conocido. Es muy transparente. Solo una pequeña parte (2,3 %) de la luz visible incidente verticalmente es absorbida por el grafeno, y la mayor parte de la luz la atraviesa. Es tan denso que ni siquiera los átomos de helio (las moléculas de gas más pequeñas) pueden atravesarlo. Estas propiedades excepcionales no provienen directamente del grafito, sino de la mecánica cuántica. Sus propiedades eléctricas y ópticas únicas le confieren amplias posibilidades de aplicación.
Aunque el grafeno apareció hace menos de diez años, ha mostrado numerosas aplicaciones técnicas, algo muy poco común en los campos de la física y la ciencia de los materiales. Los materiales comunes tardan más de diez años, o incluso décadas, en pasar del laboratorio a la vida real. ¿Para qué sirve el grafeno? Veamos dos ejemplos.
Electrodo suave y transparente
En muchos electrodomésticos, se necesitan materiales conductores transparentes como electrodos. Relojes electrónicos, calculadoras, televisores, pantallas de cristal líquido, pantallas táctiles, paneles solares y muchos otros dispositivos no pueden prescindir de la existencia de electrodos transparentes. El electrodo transparente tradicional utiliza óxido de indio y estaño (ITO). Debido al alto precio y al suministro limitado de indio, el material es frágil y poco flexible, y el electrodo debe depositarse en la capa intermedia de vacío, y el costo es relativamente alto. Durante mucho tiempo, los científicos han estado tratando de encontrar su sustituto. Además de los requisitos de transparencia, buena conductividad y fácil preparación, si la flexibilidad del material en sí es buena, será adecuado para hacer "papel electrónico" u otros dispositivos de visualización plegables. Por lo tanto, la flexibilidad también es un aspecto muy importante. El grafeno es un material de este tipo, que es muy adecuado para electrodos transparentes.
Investigadores de Samsung y la Universidad de Chengjunguan (Corea del Sur) obtuvieron grafeno con una diagonal de 76 cm mediante deposición química de vapor y lo transfirieron a una película de tereftalato de polietileno (PET) de 188 micras de espesor para producir una pantalla táctil a base de grafeno [4]. Como se muestra en la figura a continuación, el grafeno cultivado en la lámina de cobre se une primero con la cinta de decapado térmico (parte azul transparente), luego la lámina de cobre se disuelve químicamente y, finalmente, el grafeno se transfiere a la película de PET mediante calentamiento.
Nuevo equipo de inducción fotoeléctrica
El grafeno posee propiedades ópticas muy singulares. Aunque solo tiene una capa de átomos, puede absorber el 2,3 % de la luz emitida en todo el rango de longitudes de onda, desde la luz visible hasta el infrarrojo. Esta cifra no tiene relación con otros parámetros materiales del grafeno y se determina mediante la electrodinámica cuántica [6]. La luz absorbida genera portadores (electrones y huecos). La generación y el transporte de portadores en el grafeno son muy diferentes a los de los semiconductores tradicionales. Esto lo hace muy adecuado para equipos de inducción fotoeléctrica ultrarrápidos. Se estima que estos equipos de inducción fotoeléctrica pueden funcionar a una frecuencia de 500 GHz. Si se utiliza para la transmisión de señales, puede transmitir 500 000 millones de ceros o unos por segundo y completar la transmisión del contenido de dos discos Blu-ray en un segundo.
Expertos del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM en Estados Unidos han utilizado grafeno para fabricar dispositivos de inducción fotoeléctrica que pueden operar a una frecuencia de 10 GHz [8]. Primero, se prepararon láminas de grafeno sobre un sustrato de silicio recubierto con sílice de 300 nm de espesor mediante el método de desgarro de cinta, y luego se fabricaron sobre él electrodos de oro paladio o oro titanio con un intervalo de 1 micrón y un ancho de 250 nm. De esta manera, se obtiene un dispositivo de inducción fotoeléctrica basado en grafeno.
Diagrama esquemático del equipo de inducción fotoeléctrica de grafeno y fotografías de muestras reales obtenidas mediante microscopio electrónico de barrido (MEB). La línea corta negra en la figura corresponde a 5 micras, y la distancia entre las líneas metálicas es de una micra.
Mediante experimentos, los investigadores descubrieron que este dispositivo de inducción fotoeléctrica con estructura metálica de grafeno puede alcanzar una frecuencia de trabajo máxima de 16 GHz y operar a alta velocidad en el rango de longitud de onda de 300 nm (ultravioleta cercano) a 6 micras (infrarrojo), mientras que el tubo de inducción fotoeléctrica tradicional no responde a la luz infrarroja con longitudes de onda mayores. La frecuencia de trabajo del equipo de inducción fotoeléctrica de grafeno aún presenta un amplio margen de mejora. Su rendimiento superior le otorga una amplia gama de aplicaciones, como la comunicación, el control remoto y la monitorización ambiental.
Como nuevo material con propiedades únicas, la investigación sobre las aplicaciones del grafeno está surgiendo una tras otra. Es difícil enumerarlas aquí. En el futuro, podría haber tubos de efecto de campo, interruptores moleculares y detectores moleculares de grafeno en la vida cotidiana. El grafeno que gradualmente salga del laboratorio brillará en la vida cotidiana.
Podemos esperar la aparición de una gran cantidad de productos electrónicos con grafeno en un futuro próximo. ¡Imaginen lo interesante que sería si nuestros smartphones y netbooks pudieran enrollarse, sujetarse a nuestras orejas, guardarse en nuestros bolsillos o enrollarse alrededor de nuestras muñecas cuando no se usen!
Hora de publicación: 09-mar-2022