Las posibles aplicaciones de grafeno incluyen pantallas de visualización, circuitos eléctricos y células solares livianas, delgadas, flexibles y duraderas, así como diversos procesos médicos, químicos e industriales mejorados o habilitados por el uso de nuevos materiales de grafeno.
Desde su descubrimiento hace apenas unos años, el grafeno ha ascendido a la cima de los nuevos súper materiales listos para transformar el panorama de la electrónica y la nanotecnología. Como lo explica NJ Tao, investigador del Instituto Biodesign de la Universidad Estatal de Arizona, esta estructura de panal de dos átomos de carbono de átomos de carbono es excepcionalmente fuerte y versátil. Sus propiedades inusuales lo hacen ideal para aplicaciones que están empujando los límites existentes de microchips, instrumentos de detección química, biosensores, dispositivos de ultracapacitancia, pantallas flexibles y otras innovaciones.
En el último número de Nature Nanotechnology Letters, Tao describe la primera medición directa de una propiedad fundamental del grafeno, conocida como capacitancia cuántica, utilizando un método de compuerta electroquímica. Una mejor comprensión de esta variable crucial debería ser invaluable para otros investigadores que participan en lo que equivale a una fiebre de oro de la investigación del grafeno.
Aunque el trabajo teórico sobre estructuras de grafeno de una sola capa atómica ha estado en marcha durante décadas, el descubrimiento del grafeno real fue un shock. “Cuando descubrieron que era un material estable a temperatura ambiente”, dice Tao, “todos se sorprendieron”. A medida que sucede, se eliminan trazas diminutas de grafeno cada vez que se dibuja una línea de lápiz, aunque la producción de una hoja 2D del material ha resultado más complicada. El grafeno es notable en términos de delgadez y resistencia. Una lámina de grafeno de un átomo de grosor y tamaño suficiente para cubrir un campo de fútbol pesaría menos de un gramo. También es el material más fuerte en la naturaleza, aproximadamente 200 veces la resistencia del acero. Sin embargo, la mayor parte de la emoción tiene que ver con las propiedades electrónicas inusuales del material.
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El grafeno muestra un excelente transporte de electrones, lo que permite que la electricidad fluya rápidamente y más o menos sin obstáculos a través del material. De hecho, se ha demostrado que los electrones se comportan como partículas sin masa similares a los fotones, que atraviesan una capa de grafeno sin dispersarse. Esta propiedad es crítica para muchas aplicaciones de dispositivos y ha generado especulaciones de que el grafeno podría eventualmente suplantar al silicio como la sustancia de elección para los chips de computadora, ofreciendo la posibilidad de computadoras ultrarrápidas que operan a velocidades de terahertz, superando la tecnología actual de chips de gigahertz. Sin embargo, a pesar de los avances alentadores, una comprensión profunda de las propiedades electrónicas del grafeno sigue siendo difícil de alcanzar. Tao hace hincapié en que las mediciones de capacitancia cuántica son una parte esencial de este entendimiento.
La capacitancia es la capacidad de un material para almacenar energía. En la física clásica, la capacitancia está limitada por la repulsión de cargas eléctricas similares, por ejemplo, los electrones. Cuanta más carga pones en un dispositivo, más energía tienes que gastar para contenerla, para superar la repulsión de la carga. Sin embargo, existe otro tipo de capacitancia, y domina la capacitancia general en un material bidimensional como el grafeno. Esta capacitancia cuántica es el resultado del principio de exclusión de Pauli, que establece que dos fermiones, una clase de partículas comunes que incluyen protones, neutrones y electrones, no pueden ocupar la misma ubicación al mismo tiempo. Una vez que se llena un estado cuántico, los fermiones subsiguientes se ven obligados a ocupar estados de energía sucesivamente superiores. Como explica Tao, “es como en un edificio, donde las personas se ven obligadas a ir al segundo piso una vez que el primer nivel está ocupado”.
En el estudio actual, se conectaron dos electrodos al grafeno y se aplicó una tensión a través de la superficie bidimensional del material por medio de un tercer electrodo de compuerta. Las gráficas de voltaje vs. capacitancia se pueden ver en la figura 1. En los experimentos de Tao, la capacidad del grafeno para almacenar la carga de acuerdo con las leyes de la capacitancia cuántica, se sometió a una medición detallada. Los resultados muestran que la capacitancia del grafeno es muy pequeña. Además, la capacitancia cuántica del grafeno no duplicó con precisión las predicciones teóricas para el comportamiento del grafeno ideal. Esto se debe al hecho de que las impurezas cargadas se producen en muestras experimentales de grafeno, que alteran el comportamiento en relación con lo que se espera según la teoría.
Tao destaca la importancia de estas impurezas cargadas y lo que pueden significar para el desarrollo de dispositivos de grafeno. Ya se sabía que tales impurezas afectaban la movilidad de los electrones en el grafeno, aunque su efecto sobre la capacitancia cuántica solo se había revelado ahora. La baja capacitancia es particularmente deseable para dispositivos de detección química y biosensores, ya que produce una relación señal / ruido más baja, lo que proporciona una resolución extremadamente precisa de agentes químicos o biológicos. Las mejoras al grafeno permitirán que su comportamiento eléctrico se aproxime más a la teoría. Esto se puede lograr agregando contraiones para equilibrar las cargas resultantes de las impurezas, lo que reduce aún más la capacitancia.
La sensibilidad de la geometría de la capa atómica única del grafeno y la baja capacitancia prometen un aumento significativo para las aplicaciones de biosensores. Dichas aplicaciones son un tema central de interés para Tao, que dirige el Centro de Bioelectrónica y Biosensores del Instituto Biodesign. Como explica Tao, se puede detectar cualquier sustancia biológica que interactúe con la capa superficial de un solo átomo de grafeno, lo que provoca un gran cambio en las propiedades de los electrones.
Una posible aplicación de biosensor en consideración involucraría la funcionalización de la superficie del grafeno con anticuerpos, para estudiar con precisión su interacción con antígenos específicos. Dichos biosensores basados en grafeno podrían detectar eventos de unión individuales, dada una muestra adecuada. Para otras aplicaciones, agregar impurezas al grafeno podría aumentar la capacitancia interfacial general. Los ultracapacitores hechos de compuestos de grafeno serían capaces de almacenar cantidades mucho mayores de energía renovable a partir de energía solar, eólica o de onda que lo que permiten las tecnologías actuales.
Debido a la geometría planar del grafeno, puede ser más compatible con dispositivos electrónicos convencionales que otros materiales, incluidos los nanotubos de carbono. “Puedes imaginar una hoja atómica, cortada en diferentes formas para crear diferentes propiedades de dispositivos”, dice Tao.
Desde el descubrimiento del grafeno, la caza ha estado en marcha para redes de cristal bidimensionales similares, aunque hasta ahora, el grafeno sigue siendo una rareza preciosa.