Paneles solares y móviles comenzarán a ser fabricados con grafeno en 2011

Resistente, flexible y de gran conductividad. Con propiedades entre semiconductor y metal, el grafeno es el material más resistente jamás descubierto y en el que los electrones se mueven con mayor facilidad, al menos cien veces más rápido que en el silicio. Sin embargo, esta forma de carbono puro de una sola capa atómica de espesor, que revolucionará la electrónica, la informática y las comunicaciones era difícil de producir a gran escala sin perder calidad.Ya no lo es. Un grupo de investigadores de Samsung y de la universidad Sungkyunkwan, en Corea del Sur, han conseguido fabricar láminas flexibles de grafeno de 30 pulgadas (unos 76 centímetros de diagonal).

"El objetivo es utilizar una técnica muy parecida a la que se emplea para imprimir los periódicos, donde millones de páginas son impresas en muy poco tiempo. En este caso, en lugar de papel se usan rollos de un material plástico flexible y, en lugar de tinta, se deposita una capa de grafeno de bajo coste, que se utilizará en un futuro muy cercano como uno de los principales componentes de teléfonos móviles, televisores, paneles solares....", explica Tomás Palacios.

El equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), que lidera este ingeniero de telecomunicaciones español, es pionero en el desarrollo de circuitos y dispositivos electrónicos de grafeno. Su prototipo de transistor de grafeno de bajo coste fue presentado en la reunión anual de la Sociedad Americana de Física en marzo de 2009 y, desde entonces, "se han producido avances importantes y prometedores. Por ejemplo, IBM ha logrado fabricar transistores de grafeno funcionando a 100 gigahercios (100 GHz)".

Si se conectara al multiplicador de frecuencia de grafeno, también desarrollado por Palacios en 2009, "la frecuencia de la señal de salida se duplicaría".

La progresión de este material de propiedades únicas, que también está cambiando la manera en la que se estudia la física, es "increíble. Está pasando de ser un material muy interesante para la ciencia básica a tener claras aplicaciones industriales. Paneles solares y teléfonos móviles ya serán fabricados con grafeno el año que viene", considera Palacios.

En septiembre, el MIT inaugura el Centro de Investigación sobre el Grafeno, que lidera el ingeniero español. Un centro en que investigadores y empresas (entre ellas algunos de los grandes fabricantes de semiconductores) no sólo intercambiarán sus conocimientos; los llevarán a la práctica.

Paralelamente, su equipo en el MIT sigue investigando. Por un lado, ha fabricado con este material la radio más pequeña del mundo, "que permite escuchar cualquier emisora y ser conectada a un altavoz". Por otro, ha abierto una línea de investigación que mezcla la electrónica basada en grafeno con la biología. Se trata de un sensor sobre el que se depositan células vivas. Como éstas se comunican mediante impulsos eléctricos y químicos, "utilizamos el grafeno para medir dichos impulsos y estudiar cómo estas células se relacionan entre sí".

Científicos descubren un innovador material

Investigadores de la Universidad de Manchester han producido un nuevo e innovador material, el grafano, que ha sido derivado a partir del grafeno.

El grafeno, que fue descubierto por la misma universidad en 2004, es un cristal de un átomo de grosor con propiedades conductivas inusualmente altas, el cual se ha convertido rápidamente en uno de los temas más candentes de la física y la ciencia de los materiales. También se ha propuesto para un número de aplicaciones futuras en electrónica y fotónica.

Pero en una investigación publicada hoy (viernes 30 de enero de 2009) el Profesor Andre Geim y la Dra. Kostya Novoselov, que lideran el grupo que descubrió el grafeno en 2004, sugieren que su uso podría ser mucho mayor.

Esto se debe a que los científicos, de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Manchester, han encontrado que el grafeno reaccionaría con otras sustancias para formar nuevos compuestos con distintas propiedades – abriendo aún más oportunidades para el desarrollo del campo de la electrónica.

Como parte de la investigación, publicada hoy en la importante revista científica Science, el Profesor Geim y la Dra. Novoselov han usado hidrógeno para modificar el grafeno altamente conductivo en un nuevo cristal bidimensional – el grafano.

La adición de un átomo de hidrógeno a cada átomo de carbono del grafeno logró el nuevo material sin alterar ni dañar la “malla” distintiva de un átomo de grosor propia de la construcción.

Pero en lugar de ser altamente conductivo, como el grafeno, la nueva sustancia grafano tiene propiedades aislantes.

Los investigadores dicen que los hallazgos demuestran que el material puede modificarse usando la química – limpiando el camino para el descubrimiento de más derivados químicos basados en el grafeno.

“El grafeno es un conductor excelente y se ha propuesto para muchas aplicaciones electrónicas”, dijo la Dra. Novoselov. “No obstante, es tentador observar distintas formas de lograr un control adicional de sus propiedades electrónicas a través del uso de la química.

“Nuestro trabajo demuestra que es una ruta viable y esperamos que abra las compuertas de otros derivados químicos basados en el grafeno. Esto debería ampliar drásticamente las posibles aplicaciones”.

Las propiedades electrónicas únicas del grafeno ya han llevado a los investigadores a observar formas en la que podría usarse el material en el desarrollo de transistores cada más rápidos y pequeños. No obstante, la ausencia del hueco de energía en el espectro electrónico forzó a los científicos a usar estructuras basadas en el grafeno más complejas como los contactos de punto cuántico y los puntos cuánticos para este propósito.

El descubrimiento de que el grafeno puede modificarse para crear nuevos materiales, ajustando en detalle sus propiedades electrónicas, ha abierto unas posibilidades cada vez mayores en el desarrollo de dispositivos electrónicos futuros a partir de este material realmente versátil.

El Profesor Geim dijo: “La industria moderna de semiconductores hace uno de toda la tabla periódica: desde los aislantes a semiconductores o metales. Pero, ¿qué pasaría si un único materia se modifica de tal forma que cubra todo el espectro de necesidades para las aplicaciones electrónicas? Imagina una oblea de grafeno con todas sus interconexiones hechas de prístino grafeno altamente conductivo mientras que otras partes se modifican químicamente para convertirse en semiconductores y trabajar como transistores”.

Los investigadores de Manchester produjeron cristales de alta calidad de grafano exponiendo grafeno puro a hidrógeno atómico. La aproximación demuestra una forma de hacer otro material cristalino ultrafino basado en el grafeno.

El grafano dopado debería superconducir a 90K

Nuevos cálculos revelan que el grafano p-dopado debería superconducir a 90K, haciendo posible una generación completamente nueva de dispositivos enfriados por nitrógeno líquido.

Hay un problema con los superconductores de alta temperatura. Hace más de dos décadas que se descubrió que ciertos óxidos de cobre pueden superconducir a temperaturas superiores a 30 K.

Esos años estaban llenos de promesas, hipérboles y ferviente investigación. Los físicos saben ahora que los óxidos de cobre superconducen de una forma completamente distinta a los supercondcutores convencionales BCS (por Bardeen, Cooper y Schrieffer, que desarrollaron la teoría que hay bajo ellos). Y, de nuevo, nadie está de acuerdo en, precisamente, cuál es el nuevo mecanismo. Ni siquiera se ha creado un supreconductor que sea útil a temperatura ambiente, es decir, por encima de la temperatura del nitrógeno líquido.

Incluso con el resurgimiento del entusiasmo del año pasado tras el descubrimiento de que el diboruro de magnesio superconducía a altas temperaturas, probablemente de la misma forma que los BCS de la vieja escuela, pronto se dio paso al malestar cuando los físicos descubrieron que eran incapaces de basarse en tal avance para crear mejores superconductores. Es tentador pensar que los superconductores nunca superarán la barrera del nitrógeno líquido.

Pero hoy se recupera la esperanza gracias a un fascinante conjunto de cálculos llevados a cabo por Gianluca Savini de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido y un par de colegas. Calcularon las propiedades del grafano p-dopado a partir de sus principios básicos y dicen que debería superconducir a la templada temperatura de 90K o más, bien dentro del rango de enfriamiento del nitrógeno líquido.

Es más, el grafano p-dopado debería superconducir de la misma forma que lo hacen los viejos superconductores BCS. Esto es curioso debido a que todo el mundo cree que la superconductividad BCS no puede funcionar a temperaturas altas.

La razón es la energía de la interacción entre los electrones superconductores y el material que los rodea. En los superconductores BCS comunes ésta se cree que es de apenas una decenas de meVs. En los óxidos de cobre, no obstante, estas interacciones tienen una energía de unos cientos de meVs. Esta diferencia es la que hace que los físicos crean que los superconductores BCS nunca trabajarán a la temperatura de los óxidos de cobre.

Y aunque el descubrimiento del diboruro de magnesio superconductor desafía esa idea – la energía de estas interacciones en el MgB2 es mucho mayor. Parece haber tres factores que se unen para hacerlo posible, dicen Savini y compañía. El primero es la energía característica de los fonones en el MgB2 la cual se debe a la extensión de los enlaces y desempeña una parte importante al ayudar a los superconducotres a través de la estructura. Segundo es la densidad de estados de los electrones en el material y finalmente señalan al equilibrio entre el acoplamiento electrón-fonón y la interacción repulsiva electrón-electrón en MgB2.

¿Podría ser posible encontrar materiales en los que estas cantidades puedan ser manipuladas aún más? Puedes apostar que sí. Savini y sus colegas observaron que el diamante p-dopado tiene dos de estas características pero superconduce sólo a 4K.

No obstante, calculan que el grafano p-dopado encaja perfectamente y debería superconducir a 90K en la forma de los viejos BCS. Es más, dicen que hay pistas de que los nanocables de diamante p-dopado podrían tener propiedades similares.

Distintos grupos están ya trabajando con nanocables de diamante dopados.

Las implicaciones de todo esto son asombrosas. Primero está la posibilidad de dispositivos superconductores útiles enfriados sólo por nitrógeno líquido. ¡Por fin!

Pero hay otra implicación más exótica: creando puertas similares a las de un transistor a partir del grafano dopado de distintas formas, debería ser posible crear dispositivos en los que pueda activarse y desactivarse la superconductividad. Esto hará posible una clase totalmente nueva de conmutadores.

Antes de todo eso, no obstante, alguien tiene que hacer el grafano p-dopado. Será difícil. El propio grafano apenas se fabricó por primera vez el año pasado en la Universidad de Manchester. Sería entretenido seguir la carrera para crear y probar la versión p-dopada.

El grafano

En enero de este año la revista Science reportó el descubrimiento del grafano, también en la Universidad de Manchester. El grafano posee una estructura monocapa similar a la del grafeno, con la diferencia de que los átomos de carbono, además de estar enlazados entre sí, lo están también a átomos de hidrógeno ubicados a ambos lados de la capa.[2] A diferencia del grafeno, el grafano no conduce la corriente eléctrica. Los enlaces con el hidrogeno ‘amarran’ los electrones responsables de la buena conductividad eléctrica del grafeno, convirtiéndolo en un aislante. No obstante, el grafano mantiene las buenas propiedades mecánicas de su antecesor: super resistencia mecánica, alta densidad y flexibilidad. Al calentar a una temperatura suficientemente alta el hidrogeno se elimina, y el grafano se convierte de nuevo en grafeno.

En principio, controlando la ubicación de los átomos de hidrogeno en la malla del grafeno sería posible construir materiales aislantes con regiones intermedias conductoras –principio de operación de infinidad de dispositivos microelectrónicos-. Pero quizás lo más importante sea que el descubrimiento del grafano abre las puertas a muchas otras modificaciones. Con el grafeno conductor en un extremo, y el aislante grafano en el otro, no es difícil vislumbrar una gran familia de nuevos materiales que aparecerán al sustituir el hidrógeno por átomos de otro tipo. Por ejemplo, en principio parece posible sustituir el hidrógeno, o parte de él, con flúor, cuyas posibilidades de enlace con el carbono son similares a las del hidrógeno. Así se obtendría un nuevo material con propiedades diferentes al grafeno y al grafano.

André Geim y Kostya Novoselov, quienes dirigen el grupo de investigaciones de la Universidad de Manchester, han expresado: “La industria moderna de semiconductores utiliza todos los elementos de la tabla periódica, aislantes, semiconductores y metales. Pero ¿que tal si un solo material pudiera ser modificado para cubrir el espectro completo necesario en todas las aplicaciones electrónicas?” Dada la gran cantidad de investigadores trabajando actualmente en este sentido, es muy posible que tales materiales aparezcan mucho antes de lo que se pudiera imaginar.

A. González Arias

Los chips de grafeno, cada vez más cerca

Investigadores norteamericanos han desarrollado nuevos chips que tendrán grandes ventajas con relación a los utilizados actualmente a nivel masivo, permitiendo una mayor velocidad de carga y descarga de archivos de gran peso en la web, más capacidad de almacenamiento, mayor velocidad de procesamiento y ventajas al utilizar aplicaciones de comunicación interactiva, entre otros beneficios, según se anuncia en un comunicado de la Universidad de Florida.

Este equipo de científicos es el primero en crear este tipo de chips, que se basan en el empleo de un nuevo material llamado grafeno, con un espesor de únicamente un átomo de grosor. El grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja mediante enlaces sp2. Como ya hemos informado en otro artículo, el grafeno ya se ha confirmado como el material más fuerte del mundo.

De desarrollarse estos chips, existirían grandes posibilidades para que los ordenadores obtengan importantes avances en cuanto a la acumulación de información, velocidad de descarga de archivos de gran tamaño, procesamiento al unísono de variadas y complejas tareas y comunicaciones online.

Según Jing Guo, profesor asistente del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Florida y uno de los líderes de la investigación, existen aún importantes desafíos en cuanto a la concreción definitiva de la nueva tecnología, aunque sin embargo los avances logrados hasta el momento ya son trascendentes.

El globo mas pequeño del mundo

Un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell ha inflado una lámina de grafeno, logrando así fabricar un globo de 250 nanómetros de lado por 3 micrómetros (3.000 nanómetros) de longitud.

El grafeno consiste en láminas de carbono de un átomo de grosor unidas formando una malla hexagonal; este material está considerado el mas resistente del mundo y se espera que, algún día, podrá reemplazar al silicio en los componentes electrónicos.

lamina de grafeno
Lámina de grafeno. Las esferas son átomos de carbono

Este material se fabrica de una forma muy simple; solo hay que aplicar tiras de cinta adhesiva sobre grafito; las láminas de grafeno quedarán pegadas al adhesivo.

Los investigadores utilizaron placas las láminas de grafeno para tapar los poros de un cristal; posteriormente inyectaron gas por esos poros, para observar como la presión deformaba la lámina. Los investigadores observaron que el grafeno podía resistir presiones de hasta varias atmósferas sin romperse ni experimentar fugas; es decir, el material es completamente impermeable. De hecho, tras mantener el grafeno inflado durante varios días, los investigadores observaron fugas de gas, pero se producían a través del cristal, no del grafeno.



La imagen superior, obtenida por microscopio electrónico, nos muestra las láminas de grafeno infladas por efecto del gas. La imagen superior corresponde a una única lámina (un solo átomo de grosor), mientras que la imagen inferior corresponde a varias láminas apiladas (una placa de varios átomos de grosor).

Los investigadores midieron la deformación del grafeno bajo la presión, para medir su elasticidad, que resulto ser la misma que el grafito; también hicieron vibrar la lámina mediante un rayo láser, para medir su frecuencia de resonancia y conocer así su masa exacta.

Los autores del experimento creen que el grafeno podrá utilizarse para construir microbásculas y microsensores de presión.

Según Paul McEuen, lider del grupo de investigación, las aplicaciones del grafeno van mucho mas allá de la electrónica; piensa que podrá utilizarse en aplicaciones mecánicas y que superará en órdenes de magnitud todo lo que hemos visto hasta ahora.

Baterías de grapheno

Un equipo de investigadores de la Universidad de Texas ha desarrollado un nuevo tipo de supercondensadores utilizando láminas de grafeno.

Las energías alternativas (solar, eólica, …) tienen el problema de que su producción es muy irregular y complemente impredecible (si aparecen nubes, la producción de una central solar caerá en picado). Esto significa que es sería necesario almacenar el exceso de energía generado en las horas de máxima producción, para utilizarla en las horas de baja producción.

El gran problema es que las baterías químicas tradicionales son caras y tienen una vida útil limitada, lo que ha llevado a los investigadores a explorar otras formas de almacenar electricidad. Una de las mas prometedoras son los supercondensadores, un circuito electrónicos muy baratos y con una vida útil prácticamente infinita, pero que la cantidad de energía que pueden almacenar es pequeña, muy inferior a la de las baterías convencionales.


Lámina de grafeno. Las esferas son átomos de carbono

El equipo dirigido por Rod Ruoff ha logrado fabricar un supercondensador basado en láminas de grafeno que dobla la capacidad de los supercondensadores actuales. Este desarrollo abre la puerta a la creación de supercondensadores capaces de competir con las baterías en prestaciones.

El grafeno es una lámina de carbono de un solo átomo de espesor. Este material presenta unas propiedades eléctricas y mecánicas excepcionales. Hace unas semanas hablaba del globo mas pequeño del mundo, una lámina de grafeno que, tras inflarse, creo un globo de 3 millonésimas de milímetro de longitud.

Nueva técnica para fabricar láminas de grafeno

Un equipo de investigadores coreanos ha desarrollado una técnica para producir láminas de grafeno de una forma mas rápida y barata.

El grafeno está considerado uno de los materiales con mas futuro. Sus propiedades lo hacen apto para crear una nueva generación de componentes electrónicos y para crear toda una nueva familia de materiales de alta resistencia. Desgraciadamente, este material presenta un grave problema: La dificultad de producirlo en grandes cantidades.


Lámina de grafeno. Las esferas son átomos de carbono.

La técnica desarrollada por este equipo de investigadores consiste en formar láminas de grapheno sobre láminas de niquel a partir de vapor. Esta técnica, ademas de ser mas eficiente, produce grafeno de mayor calidad, que da mejores resultados en aplicaciones electrónicas.

Crean grandes láminas de grafeno, el futuro de las pantallas táctiles

¿Sabes lo que es el grafeno? Yo hasta hoy no. Y no tiene nada que ver con los grafitis. Se trata de un material absurdamente fino, fuerte, conductor eléctrico y flexible. Semejante milagro material podría estar pronto listo para las pantallas táctiles… y “en teoría, podrías enrollar tu iPhone y ponértelo tras la oreja como si de un lápiz se tratara”. Descubre más sobre este curioso material después de dar un salto.

Hay que decir que el material se conoce desde hace más de 50 años. Pero lo que es difícil es su producción. Había, literalmente, que “afeitar” capas de 1 átomo de espesor (sí, has leído bien, el grafeno tiene un átomo de espesor) para luego disolverlas, químicamente, sobre grafito. A lo sumo se conseguían “manchas” de grafeno.

Pues bien, avances recientes, por cortesía de Samsung y la Universidad Sungkyunkwan de Corea, han conseguido crear una superficie continua de grafeno puro, del tamaño de una televisión, utilizando varios rollos que sitúan el material sobre una hoja de poliéster.

Ya se ha desarrollado una pantalla táctil utilizando grafeno, para hacer transparentes los electrodos de la pantalla, y supera al material actual, óxido de indio y estaño. El material de hoy en día es caro y frágil, mientras que el grafeno es más barato, más duro, más rápido y más flexible. Vamos, un campeón olímpico que se incorporará tarde o temprano a nuestros preciados gadgets táctiles.

De grafeno a grafano por conversión química

Un equipo internacional de investigación ha transformado, con éxito, grafeno (láminas de carbono con tan solo una capa de átomos de grosor) en su equivalente hidrogenado: el grafano. Los científicos, del Reino Unido, Rusia y los Países Bajos, señalaron que las propiedades electrónicas aislantes del grafano complementan la conductividad del grafeno, potenciando las perspectivas de la nanoelectrónica basada en el grafeno y las tecnologías de combustible hidrógeno.

Este trabajo es el primero en mostrar que se puede utilizar un enfoque químico para confeccionar a medida las propiedades de un nanomaterial como el grafeno, con el fin de adaptarlo a una aplicación concreta, señala Andre Geim, parte del equipo de la Universidad de Manchester. El equipo utilizó un flujo de átomos de hidrógeno para convertir grafeno en grafano de forma reversible.