El grafeno continua sorprendiendo

Manuel Carlevaro: Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (CONICET-UNLP-CIC)

¿Hay algo que el grafeno -láminas de carbono de solo un átomo de espesor- no pueda hacer? Desde que este material fuera descubierto en 2004, ha mostrado ser un conductor eléctrico extremadamente bueno; un semiconductor que puede ser utilizado para crear transistores; un material muy resistente que puede utilizarse para hacer membranas ultra delgadas. Ahora, investigadores en Estados Unidos han confirmado que el grafeno puede ser también un muy buen conductor del calor.

Grafeno: lámina de carbono de un átomo de espesor. Fuente: Wikipedia.

El equipo, que tuvo que inventar una nueva manera de medir la conductividad térmica para poder estudiar el material, está ahora investigando cómo pueden utilizarse las propiedades térmicas del grafeno para enfriar chips de silicio ultra rápidos.

Los físicos sospechaban que el grafeno puede conducir muy bien el calor debido a que nanotubos de carbono, conformados por grafeno enrollado en tubos muy delgados, son muy buenos conductores térmicos. Sin embargo, el grafeno puede ser muy difícil de trabajar, y los investigadores han pugnado por determinar sus propiedades térmicas utilizando las técnicas tradicionales que involucran adherirle calentadores y otros dispositivos al material.

Dispersión de Raman

Alexander Balandin y colegas de la Universidad de California-Riverside han diseñado una nueva técnica de medición que usa un láser para calentar el grafeno y medir su temperatura. El equipo suspendió láminas de grafeno sobre zanjas de micrómetros de ancho excavadas en una superficie de óxido de silicio. Las láminas tenían varios micrometros de longitud y fueron fijadas en ambos extremos por capas de grafito, que actuaron como sumideros de calor.

Esquema del experimento: Diagrama de la técnica utilizada para medir la conductividad térmica. Fuente: nanotechweb.org.

El centro de la lámina es entonces expuesta al haz de luz láser, que calienta el grafeno y cambia las frecuencias a las cuales vibran los átomos de carbono. Parte de la luz láser cambia su frecuencia debido a que sufre una dispersión Raman, y la magnitud del cambio en la frecuencia es proporcional a la temperatura de la región iluminada.

Cambio en la frecuencia

Midiendo el cambio en la frecuencia -y por lo tanto la temperatura del grafeno- como función de la potencia del láser, los investigadores pudieron calcular la conductividad térmica del grafeno, cuyo valor resultó ser de 5300 W/(m K) a temperatura ambiente. Este es el valor más alto conocido para un sólido: 50% más alto que el de los nanotubos de carbono y más de 10 veces mayor que el de los metales como cobre y aluminio.

Balandin dijo a physicsworld.com que el equipo se sorprendió de encontrar que el grafeno es mucho mejor conductor del calor que los nanotubos de carbono, aún cuando algún trabajo teórico había sugerido que esto era posible.

La gran conductividad térmica del grafeno es probablemente resultado de la relativa facilidad que tienen los átomos de carbono para moverse en el grafeno, comparada con otros materiales. Balandin y sus colegas están ahora trabajando en una teoría que explique por qué esto es así.

Balandin cree que la alta conductividad térmica del grafeno, su forma plana y su capacidad para integrarse con el silicio podrían jugar un papel importante en la disipación de calor de dispositivos electrónicos. El equipo está trabajando actualmente en el diseño de transistores ultra rápidos enfriados por grafeno.

Fuente: Nanotechweb.org

Referencia: Alexander A. Balandin, Suchismita Ghosh, Wenzhong Bao, Irene Calizo, Desalegne Teweldebrhan, Feng Miao, and Chun Ning Lau. “Superior Thermal Conductivity of Single-Layer Graphene”. ASAP Nano Lett., ASAP Article, 10.1021/nl0731872 , Febrero 20, 2008.

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