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¿Para qué sirve el grafeno?Dos casos de aplicación le permiten comprender las perspectivas de aplicación del grafeno

En 2010, Geim y Novoselov ganaron el Premio Nobel de Física por su trabajo sobre el grafeno.Este premio ha dejado una profunda impresión en muchas personas.Después de todo, no todas las herramientas experimentales del Premio Nobel son tan comunes como la cinta adhesiva, y no todos los objetos de investigación son tan mágicos y fáciles de entender como el grafeno de “cristal bidimensional”.El trabajo de 2004 podrá ser premiado en 2010, lo cual es poco común en el historial de premios Nobel de los últimos años.

El grafeno es un tipo de sustancia que consta de una sola capa de átomos de carbono dispuestos estrechamente en una red hexagonal en forma de panal bidimensional.Al igual que el diamante, el grafito, el fullereno, los nanotubos de carbono y el carbono amorfo, es una sustancia (sustancia simple) compuesta por elementos de carbono.Como se muestra en la figura siguiente, los fullerenos y los nanotubos de carbono se pueden ver 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 diversas sustancias simples de carbono (grafito, nanotubos de carbono y grafeno) ha durado casi 60 años, pero en general se cree que es difícil que estos materiales bidimensionales existan de manera estable por sí solos. Sólo se adhiere a la superficie del sustrato tridimensional o al interior de sustancias como el grafito.No fue hasta 2004 que Andre Geim y su alumno Konstantin Novoselov quitaron una sola capa de grafeno del grafito mediante experimentos que la investigación sobre el grafeno logró un nuevo desarrollo.

Se puede considerar que tanto el fullereno (izquierda) como los nanotubos de carbono (centro) están enrollados por una sola capa de grafeno de alguna manera, 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 formas y los diferentes métodos tienen sus propias ventajas y desventajas.Geim y Novoselov obtuvieron grafeno de forma sencilla.Utilizando cinta transparente disponible en los supermercados, quitaron el grafeno, una lámina de grafito con una sola capa de átomos de carbono de espesor, de un trozo de grafito pirolítico de alto orden.Esto es conveniente, pero la capacidad de control no es tan buena, y solo se puede obtener grafeno con un tamaño de menos de 100 micrones (una décima de milímetro), que puede usarse para experimentos, pero es difícil de usar en la práctica. aplicaciones.La deposición química de vapor puede hacer crecer muestras de grafeno del tamaño de decenas de centímetros en la superficie del metal.Aunque el área con orientación consistente es de sólo 100 micras [3,4], ha resultado 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 ℃ en el 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 material nuevo con propiedades únicas: su conductividad eléctrica es tan excelente como la del cobre y su conductividad térmica es mejor que la de cualquier material conocido.Es muy transparente.Sólo una pequeña parte (2,3%) de la luz visible incidente vertical será absorbida por el grafeno, y la mayor parte de la luz la atravesará.Es tan denso que ni siquiera los átomos de helio (las moléculas de gas más pequeñas) pueden atravesarlo.Estas propiedades mágicas no se heredan directamente del grafito, sino de la mecánica cuántica.Sus propiedades eléctricas y ópticas únicas determinan que tenga amplias perspectivas de aplicación.

Aunque el grafeno sólo ha aparecido hace menos de diez años, ha mostrado muchas aplicaciones técnicas, lo cual es muy raro en los campos de la física y la ciencia de los materiales.Se necesitan más de diez años o incluso décadas para que los materiales generales pasen del laboratorio a la vida real.¿Para qué sirve el grafeno?Veamos dos ejemplos.

Electrodo transparente suave
En muchos aparatos eléctricos es necesario utilizar materiales conductores transparentes como electrodos.Los relojes electrónicos, calculadoras, televisores, pantallas de cristal líquido, pantallas táctiles, paneles solares y muchos otros dispositivos no pueden abandonar 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 carece de flexibilidad, y el electrodo debe depositarse en la capa intermedia de vacío, y el costo es relativamente alto.Los científicos llevan mucho tiempo intentando encontrar un sustituto.Además de los requisitos de transparencia, buena conductividad y fácil preparación, si la flexibilidad del material en sí es buena, será adecuado para fabricar “papel electrónico” u otros dispositivos de visualización plegables.Por tanto, la flexibilidad también es un aspecto muy importante.El grafeno es un material muy adecuado para electrodos transparentes.

Investigadores de Samsung y la Universidad Chengjunguan en Corea del Sur obtuvieron grafeno con una longitud diagonal de 30 pulgadas mediante deposición química de vapor y lo transfirieron a una película de tereftalato de polietileno (PET) de 188 micrones de espesor para producir una pantalla táctil a base de grafeno [4].Como se muestra en la siguiente figura, el grafeno cultivado en la lámina de cobre se une primero con la cinta decapante térmica (parte azul transparente), luego la lámina de cobre se disuelve mediante un método químico y, finalmente, el grafeno se transfiere a la película de PET mediante calentamiento. .

Nuevos equipos de inducción fotoeléctrica.
El grafeno tiene propiedades ópticas muy singulares.Aunque sólo hay una capa de átomos, esta puede absorber el 2,3% de la luz emitida en todo el rango de longitudes de onda, desde la luz visible hasta la infrarroja.Este número no tiene nada que ver con otros parámetros materiales del grafeno y está determinado por la electrodinámica cuántica [6].La luz absorbida dará lugar a la generación de portadores (electrones y huecos).La generación y el transporte de portadores en el grafeno son muy diferentes a los de los semiconductores tradicionales.Esto hace que el grafeno sea muy adecuado para equipos de inducción fotoeléctrica ultrarrápida.Se estima que dichos equipos de inducción fotoeléctrica pueden funcionar a una frecuencia de 500 GHz.Si se utiliza para la transmisión de señales, puede transmitir 500 mil 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 IBM Thomas J. Watson de Estados Unidos han utilizado grafeno para fabricar dispositivos de inducción fotoeléctrica que pueden funcionar a una frecuencia de 10 GHz [8].En primer lugar, se prepararon escamas de grafeno sobre un sustrato de silicio cubierto con sílice de 300 nm de espesor mediante el “método de rasgado 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 forma se obtiene un dispositivo de inducción fotoeléctrica basado en grafeno.

Diagrama esquemático del equipo de inducción fotoeléctrica de grafeno y fotografías de muestras reales con microscopio electrónico de barrido (SEM).La línea corta negra de la figura corresponde a 5 micras y la distancia entre líneas metálicas es de una micra.

A través de experimentos, los investigadores descubrieron que este dispositivo de inducción fotoeléctrica con estructura metálica de grafeno puede alcanzar una frecuencia de trabajo de 16 GHz como máximo y puede funcionar a alta velocidad en el rango de longitud de onda de 300 nm (casi ultravioleta) a 6 micrones (infrarrojos), mientras que El tubo de inducción fotoeléctrico tradicional no puede responder a la luz infrarroja con una longitud de onda más larga.La frecuencia de trabajo de los equipos de inducción fotoeléctrica de grafeno todavía tiene un gran margen de mejora.Su rendimiento superior le permite tener una amplia gama de perspectivas de aplicación, incluidas comunicaciones, control remoto y monitoreo ambiental.

Como nuevo material con propiedades únicas, las investigaciones sobre la aplicación del grafeno van surgiendo una tras otra.Nos resulta difícil enumerarlos aquí.En el futuro, puede haber tubos de efecto de campo hechos de grafeno, interruptores moleculares hechos de grafeno y detectores moleculares hechos de grafeno en la vida diaria... El grafeno que gradualmente salga del laboratorio brillará en la vida diaria.

Podemos esperar que en un futuro próximo aparezca una gran cantidad de productos electrónicos que utilizan grafeno.Piense en lo interesante que sería si nuestros teléfonos inteligentes y netbooks pudieran enrollarse, sujetarse a nuestras orejas, guardarse en nuestros bolsillos o enrollarse alrededor de nuestras muñecas cuando no estuvieran en uso.


Hora de publicación: 09-mar-2022