Grafeno

El grafeno es un nuevo material nanométrico bidimensional, obtenido a partir del grafito en 2004 por los científicos  Andre Geim y Konstantin Novoselov, es una hojuela casi plana con pequeñas ondulaciones, dando la apariencia de un panal de abejas, con un grosor de un átomo de carbono (0,1nm).

Su producción ha estado, hasta hoy, restringida a nivel laboratorio, posee unas extraordinarias propiedades que exhibe, tales como un efecto hall cuántico anómalo, un comportamiento como semiconductor gap superficial y ausencia de localización electrónica, entre otras, las cuales vislumbran que serán de gran utilidad en computación, electrónica y ecología entre otros muchos.

El grafeno fue descubierto en los principios del siglo XX a partir del grafito. Aunque en un principio se pensó que eran cosas totalmente diferentes el grafito se puede describir como una serie de capas de grafeno superpuestas una sobre la otra, a semejanza de sábanas o manteles colocados uno sobre los otros, de manera que los átomos de una “sábana o mantel” está muy unidos pero separados de los átomos de los manteles superiores o inferiores. Esto le las propiedades tan características al grafito.

La importancia que ha adquirido en los últimos años el grafeno se debe a un trabajo realizaron dos investigadores uno holandés de origen ruso-alemán y otro ruso-británico que les valió el premio nobel de física por sus trabajos con este material. Una característica que se explota en el grafeno es que los electrones pueden viajar con mucha libertad a lo largo de todo el enrejado, a semejanza de lo que ocurre con los metales, convirtiéndolo en un excelente conductor eléctrico y además desde el punto de vista químico todo el enrejado se comporta como una única molécula, una macro-molécula o super-molécula como la describen.

Hoy día tienen importantes aplicaciones en electrónica como en la construcción de transistores de grandes frecuencias que permitirían aumentar la velocidad de los procesadores. Los principales desafíos consisten en el poder crear una capa de grafeno en una superficie adecuada y evitar el sobrecalentamiento de los transistores.

Aplicaciones del grafeno

¿Hay algo que no pueda hacer el grafeno? Sus propiedades son realmente extraordinarias y en parte porque se ha convertido en un tema “de moda” entre los físicos, el grafeno es noticia prácticamente todos los días. Miles de laboratorios alrededor del mundo se encuentran trabajando con este material, buscando aplicaciones prácticas (y rentables patentes) por lo que no es extraño que periódicamente se le descubran nuevas propiedades. Uno de los últimos hallazgos proviene de un equipo de físicos de EE.UU. (Universidad de Harvard) y Alemania (Instituto Max-Planck de Física del Estado Sólido), liderados por Amir Yacoby, que ha descubierto en el grafeno lo que llaman “efecto Hall cuántico fraccionario” (FQHE, por fractional quantum Hall effect).

– Este efecto tiene lugar cuando los portadores de carga (básicamente electrones) se encuentran confinados en un espacio 2D y son atravesados perpendicularmente, a lo largo del eje Z, por un campo magnético. El grafeno, como ya hemos explicado alguna vez, es una retícula bidimensional de átomos, por lo que era un buen candidato para buscar en él este efecto. Cuando se induce una corriente a lo largo del eje X de esta malla, aparece una tensión -denominada tensión de Hall– en la dirección Y. A temperaturas muy bajas, esta tensión se cuantifica en etapas diferentes o estados Hall. El FQHE difiere del efecto Hall cuántico entero más conocido. Aparece como resultado de las interacciones fuertes que se producen entre los electrones, provocando que estos portadores de carga se comportan como cuasi-partículas, con una carga que es una fracción de la de un electrón. Estas cuasi-partículas de carga fraccionada  son las responsables del FQHE y, posiblemente, una característica muy útil para el desarrollo de futuros ordenadores cuánticos.

– El grafeno ha llegado para quedarse. En varios laboratorios del mundo se está experimentando con este increíble material, que parece tener aplicaciones en campos tan diferentes como electrónica o la mecánica. Hace algunos años se necesitaba un equipo bastante complejo para producir grafeno, pero los científicos han mejorado los procesos necesarios para obtener esta molécula compuesta por átomos de carbono hasta el extremo de poder crear grafeno a partir de las típicas galletas que venden las niñas exploradoras. O al menos, eso es lo que han hecho en la Universidad de Rice.

– IBM hace historia y decide dar un paso hacia el futuro con la fabricación del primer circuito integrado basado en transistores de grafeno (el material de Dios). De este modo, IBM avanza un paso más hacia la superación de los límites del silicio y abre un enorme camino potencial hacia una electrónica más flexible. En este artículo te contamos como está fabricado este dispositivo que entrará en la historia de la electrónica y además te contamos para qué sirve este modelo conceptual, es decir, qué función podría cumplir este circuito integrado dentro un equipo.

El circuito integrado está construido sobre una oblea de carburo de silicio y se compone de transistores de efecto de campo (FET) (Field Effect Transistor) hechos de grafeno, un conductor muy delgado y con una composición alta de carbono que se resume en una sola capa atómica de espesor. El circuito integrado también incluye estructuras metálicas, tales como inductores y los electrodos drenaje y fuente (Drain ySource) que conectan a los transistores de grafeno dentro del IC. Los investigadores comentan, en la edición de esta semana de la revista Science, que el grafeno tiene el potencial para hacer transistores que sean capaces de funcionar a velocidades del orden de los Terahertz y que podrían en un futuro, no muy lejano, reemplazar al silicio como base para los microprocesadores utilizados en ordenadores. Hasta el momento, muchos han sido los equipos de investigación que han construido transistores de grafeno. De hecho, el equipo de IBM, el año pasado mostró un desarrollo que operaba a 100GHz, esto es, más del doble de rápido que un transistor de silicio de dimensiones comparables.

Te recomiendo ver este vídeo para que te informes más sobre el grafeno: