Sobre la pista del grafeno en Argentina: efectos electromecánicos en la nanoescala
Héctor Riojas Roldán. Universidad Nacional de La Plata.
Este artículo ha sido financiado por el proyecto INVOFI de la Asociación Física Argentina.
Este año han sido galardonados con el premio Nobel de Física 2010 los rusos Andre Geim (51) y Konstantin Novoselov (36) por sus estudios sobre el grafeno que posibilitaría nuevos avances en la física cuántica como así también numerosas aplicaciones tecnológicas. En este artículo reseñamos algunos trabajos realizados por investigadores argentinos.
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”.
Pero primero, ¿qué es el grafeno?
El grafeno es una estructura de átomos de carbono formando una red bidimensional de tan sólo un átomo de espesor. La red cristalina que los contiene le da la forma de un panal de abejas. Cuando esta plancha de átomos tiene una de sus dimensiones en el orden de las decenas de nanometros se dice que es una “cinta” (ribbon) de grafeno y se suele usar las siglas en inglés GNRs por graphene nanoribbons. Dependiendo de la forma de los bordes de la cinta, las mismas se denominan tipo zig-zag o tipo sillón (armchair), como se puede ver en la figura 1.
Veamos algunas de sus características
Tienen alta conductividad térmica y eléctrica debido a que los electrones tienen una alta movilidad y baja dispersión. Combina alta elasticidad y ligereza, lo que lo convierte en unos de los materiales más resistentes ya que su dureza es extrema (varias veces más fuerte que el acero). Puede reaccionar con otros elementos y compuestos químicos y además es transparente. Doblando estas láminas se tienen los nanotubos (buckytubos o buckytubes) y nanoesferas (buckyesferas o buckyballs ) como se ilustra en la figura 2, aunque como nos aclara nuestro investigador “los nanotubos se obtuvieron mucho antes que el grafeno. Sólo recientemente lograron 'cortar' tubos para fabricar cintas de grafeno, en un proceso similar a la apertura de un cierre, logrando así producir una estructura a partir de la otra.[1]
Posibilidades tecnólogicas y aplicaciones
En teoría el grafeno es más estable a nanoescalas que el silicio y dado que que la tendencia en la eléctrónica es cada vez hacer cosas más pequeñas, todo indica que es el mejor candidato a revolucionar el campo tecnológico electrónico. Pantallas táctiles flexibles, sensores de gases y otras sustancias y nueva generación de baterías ultracompactas. La dificultad fundamental para algunas aplicaciones es que el grafeno no tiene una brecha en la banda de energías permitidas (energy band-gap). Solamente cuando el sistema se confina en una de las direcciones, formando cintas de grafeno se encuentra que algunas de ellas exhiben una brecha energética que depende de la topología. Aun así, el desafío es crear una brecha energética mediante un estímulo externo. Esto permitiría controlar las propiedades eléctricas y generar aplicaciones útiles.
Aportes teóricos nacionales
En una publicación científica reciente el Dr Luis Foa Torres [2] , 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 electromécanicas. 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 nanoelectromecánicos”.
El Dr Luis 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 “Nanodispositivos en el límite cuántico: transporte alterno en un mundo de carbono” (P210).
Referencias.