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TECNOLOGÍA. Grafeno: el material del futuro


EL GRAFENO es una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor dispuesta en una red hexagonal. Es el componente básico del grafito (que se usa, entre otras cosas, en la punta de un lápiz), pero el grafeno es una sustancia notable por sí sola, con una multitud de propiedades sorprendentes que le otorgan repetidamente el título de "material maravilloso". El grafeno es el material más delgado conocido por el hombre con un átomo de espesor, y también es increíblemente fuerte, unas 200 veces más fuerte que el acero. Además de eso, el grafeno es un excelente conductor de calor y electricidad y tiene capacidades interesantes de absorción de luz. Es realmente un material que podría cambiar el mundo, con un potencial ilimitado para la integración en casi cualquier industria.


QUÉ ES EL GRAFENO
El grafeno es una lámina de una sola capa  de átomos de carbono, estrechamente unida en una red hexagonal en forma de panal. Las capas de grafeno apiladas una sobre otra forman grafito, con un espaciado interplanar de 0.335 nanómetros. Las capas separadas de grafeno en el grafito se mantienen juntas por las fuerzas de Van der Waals*. El grafeno es el compuesto más delgado conocido por el hombre con un átomo de espesor, es el material más ligero, el compuesto mas fuerte descubierto,  el mejor conductor de calor a temperatura ambiente y el mejor conductor de electricidad.

Los autores de la investigación que dio lugar al conocimiento de las propiedades  de este material (Geim y Novoselov) fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2010 por su trabajo pionero en relación con cristales atómicos bidimensionales.

El carbono es la segunda masa más abundante dentro del cuerpo humano y el cuarto elemento más abundante en el universo, después del hidrógeno, el helio y el oxígeno. Esto hace que el carbono sea la base química para toda la vida conocida en la tierra, por lo tanto, el grafeno podría ser una solución sostenible y respetuosa con el medio ambiente para un número casi ilimitado de aplicaciones. Desde su descubrimiento, o más precisamente, de su obtención mecánica, las aplicaciones dentro de diferentes disciplinas científicas han explotado, con enormes avances.

PRODUCCIÓN 
En un principio la creación de grafeno de alta calidad fue un proceso muy costoso y complejo, que involucraba el uso de químicos tóxicos para conseguir el compuesto en modo monocapa. Esto limitó severamente su uso en la electrónica, ya que en ese momento era difícil separar las capas de grafeno de su sustrato metálico sin dañarlo.  En la actualidad se genera a través de un horno lleno  de gas Argón, que a través del drenado del oxigeno del aire crea una lámina de carbono. A esta se le añade un revestimiento de plástico que cubre la hoja y se le somete 3000 revoluciones por minuto para su homogeneización. Aplicándole varios químicos eliminamos el cobre y otros materiales extraños obteniendo grafeno puro, el cual se carga en un chip de silicio antes de ser sometido finalmente a una ráfaga de gránulos de plomo y oro.

El resultado de este proceso es un material extremadamente ligero ya que un metro cuadrado solo pesa 0.77 miligramos. No obstante, es 100 veces más fuerte que el acero,  cinco veces más ligero que el aluminio y su densidad se acerca a la de la fibra de carbono. Si a esto le añadimos su rigidez, resistencia y tenacidad, hacen que el grafeno sea el material del futuro.

APLICACIONES
1. Electrónicas
El grafeno tiene una combinación única de propiedades que es ideal para la electrónica de próxima generación, que incluye flexibilidad mecánica, alta conductividad eléctrica y estabilidad química. Debido al hecho de que un electrón puede moverse más rápido a través del grafeno que a través del silicio y que su capacidad de almacenaje es enorme, es el material perfecto para llevar a la informática a niveles no conocidos. Tiene un gran capacidad de almacenamiento pudiendo dar más vida útil a baterías eléctricas.

2. Sensores
El  grafeno puede utilizarse como sensor biológico y químico. Los investigadores han demostrado que la estructura 2D distintiva del óxido de grafeno (GO), combinada con su superpermeabilidad a las moléculas de agua, conduce a dispositivos de detección con una velocidad sin precedentes..Un enfoque bastante interesante es interconectar los nanosensores de grafeno que forman una lamina  en los dientes que monitorea las bacterias en la boca. También se están probando biosensores de nanotectnologia con grafeno para detectar la enfermedad de Parkinson.


El nuevo dispositivo basado en grafeno es el primer paso hacia los biosensores ultrasensibles. El dispositivo podría detectar biomarcadores de enfermedades a nivel molecular y conducir a una nueva tecnología de sensores. Investigadores de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Minnesota han desarrollado un nuevo dispositivo único que utiliza el maravilloso material de grafeno que proporciona el primer paso hacia los biosensores ultrasensibles para detectar enfermedades a nivel molecular con una eficacia casi perfecta. Foto: Nano Magazine.  Fuente: In-Ho Lee, Daehan Yoo, Phaedon Avouris, Tony Low, Sang-Hyun Oh. Graphene acoustic plasmon resonator for ultrasensitive infrared spectroscopy. Nature Nanotechnology, March 2019; DOI: 10.1038/s41565-019-0363-8

3. Robótica
Las increíbles propiedades de este material  también lo han convertido en una opción prometedora para la electrónica flexible, una tecnología que apunta a producir circuitos sobre sustratos plásticos para aplicaciones como células solares o piel artificial robótica.


Dispositivos portátiles basados ​​en grafeno para el control de la salud, la inspección de alimentos y la visión nocturna. La banda de ejercicios de ICFO se está desarrollando para medir la frecuencia cardíaca, la hidratación, la saturación de oxígeno, la frecuencia respiratoria y la temperatura. El primero de los dispositivos de ICFO en pantalla permitirá a los clientes controlar su nivel de exposición a la luz solar a través de un sensor UV. Diseñado como un parche flexible, transparente y desechable, se conecta a un dispositivo móvil y alerta al usuario una vez que ha alcanzado un umbral definido de exposición al sol. Foto: ICFO Fuente: Graphene Flagship. "Graphene-based wearables for health monitoring, food inspection and night vision." ScienceDaily. ScienceDaily, 15 February 2019. <www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190215192520.htm>.

4. Por desarrollar
El grafeno como células fotovoltaicas o solares puede sustituir a las actuales de platino mejorando su eficiencia y reduciendo considerablemente los costes. Puede utilizarse como recubrimiento transparente para proteger metales contra la corrosión. También es un material efectivo para el blindaje de la radiación y por lo tanto inmune a las interferencias electromagnéticas.

El grafeno todavía sigue siendo un material del futuro que necesita mucha financiación y una producción industrial y comercial a niveles globales. Pero, como toda nueva tecnología, su aplicación práctica exigirá tiempo, recursos  e  investigación. 

INVESTIGACIÓN
Los investigadores han encontrado evidencia de que el calor se mueve a través del grafito de manera similar a la forma en que el sonido se mueve a través del aire. Después de apagar un quemador, en lugar de mantenerse caliente y de seguir calentando lentamente la cocina y la estufa circundantes, una marmita o cazuela hirviendo se enfría rápidamente a temperatura ambiente y su calor se desvanece en forma de una ola muy caliente. Sabemos que el calor no se comporta de esta manera en nuestro entorno cotidiano. Pero ahora, los investigadores del MIT han observado este modo de transporte de calor aparentemente inverosímil, conocido como "segundo sonido", en un material bastante común: el grafito, el material del lápiz.


Transporte de calor en modo "segundo sonido" a través del grafito (MIT Research). Foto: Christine Daniloff. Fuente: S. Huberman, R. A. Duncan, K. Chen, B. Song, V. Chiloyan, Z. Ding, A. A. Maznev, G. Chen, K. A. Nelson. Observation of second sound in graphite at temperatures above 100 K. Science, March 2019; eaav3548 DOI: 10.1126/science.aav3548

Investigadores daneses han resuelto uno de los mayores desafíos para desarrollar la nano electrónica efectiva basada en grafeno: dividir el grafeno en dimensiones a nanoescala sin arruinar las propiedades eléctricas. Esto les permite alcanzar corrientes eléctricas de órdenes de magnitud más altas que las alcanzadas anteriormente para tales estructuras. El trabajo muestra que las propiedades de transporte cuánticas necesarias para la electrónica futura pueden sobrevivir a escalas de hasta 10 nanómetros. Durante 15 años, los científicos han intentado explotar el "material milagroso" del grafeno para producir componentes electrónicos a nanoescala. Sobre el papel, el grafeno debe ser excelente para eso: es ultra delgado, de hecho solo tiene un átomo de espesor y, por lo tanto, bidimensional, es excelente para la conducción de corriente eléctrica y debe ser ideal para futuras formas de electrónica que sean más rápidas y rápidas. Más eficiente energéticamente. Además, el grafeno consiste en átomos de carbono, de los cuales tenemos un suministro ilimitado.


Nanotecnología a partir del grafeno. Foto: Otto Moesgaard Fuente: Bjarke S. Jessen, Lene Gammelgaard, Morten R. Thomsen, David M. A. Mackenzie, Joachim D. Thomsen, José M. Caridad, Emil Duegaard, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Timothy J. Booth, Thomas G. Pedersen, Antti-Pekka Jauho, Peter Bøggild. Lithographic band structure engineering of graphene. Nature Nanotechnology, February 2019; DOI: 10.1038/s41565-019-0376-3

UN NUEVO ESTADO CUÁNTICO
Un nuevo descubrimiento de investigadores de las Universidades Brown y Columbia en los EE. UU. Ha demostrado que surgen estados desconocidos de la materia al apilar capas bidimensionales de grafeno. En términos de ingeniería de materiales, este trabajo muestra que estos sistemas en capas podrían ser viables en la creación de nuevos tipos de dispositivos electrónicos que aprovechan estos nuevos estados de Hall cuánticos.

Un nuevo tipo de cuasi-partícula (Michelle Miller and Jia Li/Brown University)
Los resultados muestran que el apilamiento de materiales 2-D juntos genera una física completamente nueva. Esta investigación, denominada "estados de emparejamiento de fermiones compuestos en grafeno de doble capa", se ha publicado en la revista Nature PhysicsAdemás de demostrar la importancia potencial de esta investigación,  estos nuevos estados cuánticos de Hall pueden ser útiles para construir ordenadores cuánticos tolerantes a fallas. Un ordenador cuántico reúne algunos de los fenómenos casi inexplicables de la mecánica cuántica, que a su vez ayudan a la potencia de procesamiento. Estos pueden superar a los superordenadores actuales y potencialmente futuros.

El equipo trabajó con material que había sido descubierto durante años de investigación en Columbia y mejoró la calidad de los dispositivos de grafeno. Terminaron creando dispositivos ultra limpios hechos de materiales 2-D atómicamente planos.

"Una vez más, la increíble versatilidad del grafeno nos ha permitido ampliar los límites de las estructuras de dispositivos más allá de lo que antes era posible".


La precisión y la capacidad de ajuste con la que podemos hacer estos dispositivos ahora nos permite explorar todo un ámbito de la física que recientemente se pensó que era totalmente inaccesible.


* Qué son las Fuerzas de Van der Waals
Las fuerzas de Van der Waals se llaman así en honor al físico holandés Johannes Van der Waals. Estas fuerzas son las responsables de muchos fenómenos físicos y químicos como la adhesión, rozamiento, difusión, tensión superficial y la viscosidad. Las fuerzas de van der Waals son fuerzas de estabilización molecular (dan estabilidad a la unión entre varias moléculas), también conocidas como atracciones intermoleculares o de largo alcance y son las fuerzas entre moléculas. Son fuerzas mas débiles que las internas que unen la molécula ya que dependen exclusivamente del tamaño y forma de la molécula pudiendo ser de atracción o de repulsión. Son tan débiles que no se las puede considerar un enlace, como el enlace covalente o iónico, solo se las considera una atracción




Fuentes:  vix.com, agenciasinc.es, rincondelatecnologia.com, agenciasinc.com, areaciencias.com, https://www.graphene-info.com ; https://www.nature.com/articles/s41567-019-0572-y

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