Grafeno El material más delgado y más fuerte
Una capa de grafito de sólo un átomo de espesor promete revolucionar la tecnología en un futuro no muy lejano. El INTI ya trabaja junto al Instituto Nacional de Metrología de Estados Unidos para adquirir conocimientos que permitan manipularlo.
Una capa de grafito de sólo un átomo de espesor promete revolucionar la tecnología en un futuro no muy lejano. El INTI ya trabaja junto al Instituto Nacional de Metrología de Estados Unidos para adquirir conocimientos que permitan manipularlo.
El grafeno es una forma del carbono y es el nombre dado a una capa de sólo un átomo de espesor del grafito. Este material fue recientemente sintetizado y ampliamente estudiado por Andre Geim y Konstantin Novoselov, quienes por esta razón recibieron el premio Nobel de Física 2010.
El grafito, que es el material que puede encontrarse en los lápices, consiste en un apilamiento de capas de grafeno, y en el caso de Geim y Novoselov, ellos lograron aislarlo simplemente usando cinta adhesiva. La estructura de red bidimensional que presenta el grafeno es similar a un panal de abejas y le otorga al sistema propiedades únicas, que prometen importantes aplicaciones futuras. Además, los electrones en el grafeno se comportan con efectos relativísticos extraños, aunque a velocidades mucho menores que la de la luz, que lo convierten en un sistema de gran interés en su estudio.
El grafeno es una forma del carbono y es el nombre dado a una capa de sólo un átomo de espesor del grafito. Este material fue recientemente sintetizado y ampliamente estudiado por Andre Geim y Konstantin Novoselov, quienes por esta razón recibieron el premio Nobel de Física 2010.
El grafito, que es el material que puede encontrarse en los lápices, consiste en un apilamiento de capas de grafeno, y en el caso de Geim y Novoselov, ellos lograron aislarlo simplemente usando cinta adhesiva. La estructura de red bidimensional que presenta el grafeno es similar a un panal de abejas y le otorga al sistema propiedades únicas, que prometen importantes aplicaciones futuras. Además, los electrones en el grafeno se comportan con efectos relativísticos extraños, aunque a velocidades mucho menores que la de la luz, que lo convierten en un sistema de gran interés en su estudio.
Un comportamiento muy especial del grafeno es que presenta efecto Hall cuántico (QHE) a temperaturas no muy bajas, aún a temperatura ambiente. El efecto Hall cuántico es un fenómeno por el cual muchos sistemas presentan valores de resistencia Hall, es decir resistencia transversal al paso de una corriente dada, que están cuantificados. El Laboratorio de Patrones Cuánticos de la Unidad Técnica Electricidad del Centro de Física y Metrología se dedica, entre otras actividades, al mantenimiento de la referencia en resistencia eléctrica a través del efecto Hall cuántico. En el laboratorio se comenzó a trabajar en el grafeno como material para obtener la resistencia Hall cuántica en reemplazo de las muestras con las que se trabaja actualmente basadas en heteroestructuras de GaAs (arsenuro de galio).
Los trabajos más recientes en el área han mostrado que se obtiene el mismo efecto sobre una muestra de grafeno sometida a una temperatura de 4,2 K, que es la temperatura del helio líquido. Inclusive se ha observado el efecto en el grafeno a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente, pero todavía no puede contarse con ello pues los niveles de incertidumbre con los que se obtiene la referencia hasta el momento no son deseables desde el punto de vista metrológico.
Para trabajar en el desarrollo y la investigación del grafeno para producir el QHE, el Instituto Nacional de Metrología de Estados Unidos (NIST, por sus siglas en inglés) ha iniciado un proyecto al cual invitaron al INTI a participar. Esta cooperación permite adquirir conocimientos en los aspectos básicos y aplicados relacionados al grafeno, junto con el aprendizaje de las técnicas necesarias para su síntesis y manipulación. Actualmente un miembro del Instituto se encuentra haciendo una estadía en el NIST como investigador invitado, colaborando en el desarrollo y la fabricación de las muestras de grafeno, que son crecidas en forma epitaxial en una atmósfera de argón.
La segunda etapa del proyecto estará realizada en su totalidad en el INTI y consistirá en caracterizar las muestras para determinar su aplicación en metrología: estudio de la cuantificación, análisis de la resistencia transversal y longitudinal, movilidad, dependencias del valor de la resistencia Hall (RH) con los parámetros del sistema, corriente crítica. La caracterización deberá permitir al Instituto obtener valores para RH (patrón primario de resistencia eléctrica) similares a los valores obtenidos con las muestras de GaAs (arsenuro de galio) usadas hasta el momento, con una exactitud en la comparación de pocas partes en 109.
Pros y contras
Las propiedades del grafeno no se encuentran en otros materiales. Es el material más delgado y más fuerte conocido hasta el momento. Como conductor eléctrico presenta mejores características que el cobre, a tal punto que se piensa que en el futuro habrá toda una nueva electrónica basada en el grafeno; como conductor térmico supera a todo material conocido. Es prácticamente transparente pero tan denso que ni aún el helio, el gas atómico más liviano, puede penetrarlo. Debido a esta característica de ser prácticamente transparente (pues está formado por una única capa de átomos) y al mismo tiempo un excelente conductor eléctrico, el grafeno es un material muy adecuado para la producción de pantallas táctiles transparentes, paneles luminosos o celdas solares.
Por otro lado, si bien el grafeno es sustancialmente más fuerte que el acero, es mucho más elástico. Debido a que tanto su conductividad eléctrica como su conductividad térmica son muy altas, se está planteando el desarrollo de nuevos materiales que incrementen la resistencia al calor, y bastaría con agregar un 1% de grafeno a un material plástico para convertirlo en buen conductor eléctrico, lo que lleva a pensar en su uso en satélites, en la industria aeronáutica o en la automotriz. También, como el grafeno presenta una estructura cristalina perfecta, es muy adecuado para la producción de sensores extremadamente sensibles que podrían registrar niveles mucho más bajos de detección de los que existen hasta el momento.
Sin embargo las mismas propiedades electrónicas del material lo vuelven sensible a factores externos (presión, moléculas depositadas sobre su superficie, contaminación, entre otras), de forma tal que al producir el grafeno a escalas macroscópicas se pierde parte de su estructura cristalina. Por el momento, en la obtención del grafeno sólo se logran áreas relativamente pequeñas donde el sistema es monoatómico y monocristalino. En la actualidad la mayoría de los usos del grafeno que se han mencionado se encuentran en estado de investigación y son aún potenciales, aunque varios de ellos ya han sido probados y se cree que en los próximos años puede surgir un verdadero cambio en los sistemas electrónicos y en la ciencia de los materiales.
Los trabajos más recientes en el área han mostrado que se obtiene el mismo efecto sobre una muestra de grafeno sometida a una temperatura de 4,2 K, que es la temperatura del helio líquido. Inclusive se ha observado el efecto en el grafeno a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente, pero todavía no puede contarse con ello pues los niveles de incertidumbre con los que se obtiene la referencia hasta el momento no son deseables desde el punto de vista metrológico.
Para trabajar en el desarrollo y la investigación del grafeno para producir el QHE, el Instituto Nacional de Metrología de Estados Unidos (NIST, por sus siglas en inglés) ha iniciado un proyecto al cual invitaron al INTI a participar. Esta cooperación permite adquirir conocimientos en los aspectos básicos y aplicados relacionados al grafeno, junto con el aprendizaje de las técnicas necesarias para su síntesis y manipulación. Actualmente un miembro del Instituto se encuentra haciendo una estadía en el NIST como investigador invitado, colaborando en el desarrollo y la fabricación de las muestras de grafeno, que son crecidas en forma epitaxial en una atmósfera de argón.
La segunda etapa del proyecto estará realizada en su totalidad en el INTI y consistirá en caracterizar las muestras para determinar su aplicación en metrología: estudio de la cuantificación, análisis de la resistencia transversal y longitudinal, movilidad, dependencias del valor de la resistencia Hall (RH) con los parámetros del sistema, corriente crítica. La caracterización deberá permitir al Instituto obtener valores para RH (patrón primario de resistencia eléctrica) similares a los valores obtenidos con las muestras de GaAs (arsenuro de galio) usadas hasta el momento, con una exactitud en la comparación de pocas partes en 109.
Pros y contras
Las propiedades del grafeno no se encuentran en otros materiales. Es el material más delgado y más fuerte conocido hasta el momento. Como conductor eléctrico presenta mejores características que el cobre, a tal punto que se piensa que en el futuro habrá toda una nueva electrónica basada en el grafeno; como conductor térmico supera a todo material conocido. Es prácticamente transparente pero tan denso que ni aún el helio, el gas atómico más liviano, puede penetrarlo. Debido a esta característica de ser prácticamente transparente (pues está formado por una única capa de átomos) y al mismo tiempo un excelente conductor eléctrico, el grafeno es un material muy adecuado para la producción de pantallas táctiles transparentes, paneles luminosos o celdas solares.
Por otro lado, si bien el grafeno es sustancialmente más fuerte que el acero, es mucho más elástico. Debido a que tanto su conductividad eléctrica como su conductividad térmica son muy altas, se está planteando el desarrollo de nuevos materiales que incrementen la resistencia al calor, y bastaría con agregar un 1% de grafeno a un material plástico para convertirlo en buen conductor eléctrico, lo que lleva a pensar en su uso en satélites, en la industria aeronáutica o en la automotriz. También, como el grafeno presenta una estructura cristalina perfecta, es muy adecuado para la producción de sensores extremadamente sensibles que podrían registrar niveles mucho más bajos de detección de los que existen hasta el momento.
Sin embargo las mismas propiedades electrónicas del material lo vuelven sensible a factores externos (presión, moléculas depositadas sobre su superficie, contaminación, entre otras), de forma tal que al producir el grafeno a escalas macroscópicas se pierde parte de su estructura cristalina. Por el momento, en la obtención del grafeno sólo se logran áreas relativamente pequeñas donde el sistema es monoatómico y monocristalino. En la actualidad la mayoría de los usos del grafeno que se han mencionado se encuentran en estado de investigación y son aún potenciales, aunque varios de ellos ya han sido probados y se cree que en los próximos años puede surgir un verdadero cambio en los sistemas electrónicos y en la ciencia de los materiales.
Fuente:
Alejandra Tonina, atonina@inti.gob.ar
INTI-Física y Metrología
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