Un láser de luz infrarroja abriría nuevas posibilidades para el uso del material más delgado del universo

Andrés Fernández – Un grupo integrado por científicos de la Facultad de Matemática, Astronomía y Física de la UNC, e instituciones de Alemania y España, calculó la respuesta eléctrica del grafeno –cuyo espesor es de apenas un solo átomo– ante la incidencia del haz lumínico.

Concluyeron que el láser puede interrumpir la conductividad eléctrica de este material, un efecto que la comunidad científica ha buscado largamente, utilizando diversos métodos. De comprobarse experimentalmente, el descubrimiento tendría un impacto tecnológico significativo, ya que abriría nuevas perspectivas para dispositivos optoelectrónicos, entre los cuales la pantalla de plasma es el más popular.

El grafeno es, por la potencialidad implícita en sus propiedades, uno de los materiales más promisorios en el horizonte de la innovación tecnológica. Se trata, en rigor, de una lámina de átomos de carbono unidos formando una malla de celdas hexagonales, como un panal de abejas. En este esquema, los átomos de carbono se ubican en los vértices y permanecen unidos mediante enlaces químicos a través de los cuales comparten electrones.

Se lo denomina material bidimensional porque su espesor es de sólo un átomo, pero eso no impide que sea unas 200 veces más fuerte que el acero. Aunque fue aislado y caracterizado recién en 2004, el grafeno está presente, junto a otros componentes, en las minas de los lápices. Un milímetro de grafito contiene tres millones de capas de grafeno apiladas. Como la energía que las mantiene juntas es bastante débil, el grafito se desgrana fácilmente al dibujar un trazo sobre el papel. Una forma de imaginar el grafito es como una resma de papel, donde cada hoja representa una lámina de grafeno: no requiere demasiado esfuerzo desarmar la pila desplazando horizontalmente las páginas.

El grafeno es flexible y traslúcido –absorbe apenas el 2,3 por ciento de la luz–, pero quizás su propiedad más promisoria tecnológicamente radique en su extraordinaria capacidad para conducir electricidad a temperatura ambiente, incluso mejor que el cobre. Esto se debe a la perfección con que los átomos de carbono constituyen la estructura hexagonal plana, donde los electrones pueden desplazarse a una velocidad de un millón de metros por segundo, sin perturbaciones.

Hasta el presente, esta increíble conductividad también constituyó su principal debilidad, por la imposibilidad de “detenerla” o interrumpirla adrede. Todo esto podría cambiar, si experimentos futuros comprueban las predicciones teóricas realizadas por un equipo de científicos de la Facultad de Matemática, Astronomía y Física (FaMAF) de la UNC y el Conicet, en colaboración con colegas del Institut für Theorie der Statistischen Physik, (RWTH Aachen University, Alemania), del Catalan Institute of Nanotechnology (Universidad Autónoma de Barcelona, España) y de la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (España).

El estudio, publicado on line el 7 de junio de 2011 en la prestigiosa revista Applied Physics Letters [http://link.aip.org/link/?APL/98/232103] y destacado en su portada digital en las Highlights, fue realizado por Hernán Calvo –quien comenzó el proyecto como posdoctorado en Córdoba y ahora se encuentra en RWTH Aachen–, Horacio Pastawski (FaMAF), Stephan Roche (Barcelona) y Luis Foa Torres (FaMAF). Se trata de un trabajo donde se hace un cálculo atomístico de la respuesta eléctrica que presenta una lámina de grafeno, al ser iluminada por un láser de luz infrarroja. Los resultados predicen, que al recibir ese haz lumínico, el material puede volverse aislante. Esto permitiría “prender y apagar” su conducción.

El descubrimiento constituye un avance crucial para la aplicación del grafeno en ciertos dispositivos electrónicos que combinen propiedades ópticas y eléctricas; como por ejemplo, las pantallas de plasma.

“Imaginemos que al encender la luz, la conducción se apaga o viceversa: de esa manera es posible traducir señales ópticas en eléctricas”, explica Foa Torres (33), un científico repatriado que volvió a Argentina a fines de 2009, en el marco del Programa de Recursos Humanos-UNC impulsado por un convenio entre el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva de la Nación y la Casa de Trejo. [Más información: http://archivo.lavoz.com.ar/08/02/13/secciones/sociedad/nota.asp?nota_id=161849].

“Nuestro trabajo predice que mediante la iluminación con un láser en el infrarrojo medio, es posible generar una brecha de energía –o “gap”, como se la conoce en física de materiales– en el grafeno, de manera que pase de un estado ‘con corriente’ a otro ‘sin corriente’. En la práctica, estos estados con o sin corriente son los se utilizan, por ejemplo, para codificar información bajo la forma de ceros y unos”, completa el investigador.

Actualmente este tipo de láser se está volviendo más común. De hecho, uno de los grupos experimentales que colaboró con los investigadores de FaMAF, está en proceso de adquirir uno. Según el científico, la colaboración con grupos experimentales de otros países fue crucial, ya que el conocimiento compartido les permitió descartar rápidamente parámetros y focalizarse en aquello que sus colegas les habían señalado como realizable. Ahora, es su turno, ya que deberán corroborar los resultados del estudio.

Uno de los datos distintivos del estudio radica, en que se evaluaron porciones de grafeno relativamente “grandes”, del orden de los micrómetros, donde se podrían encontrar hasta mil millones de átomos de carbono.

La simulación de la respuesta del material ante el láser, fue realizada en un conjunto de servidores (los mismos que alojan páginas web), a través de un software diseñado por los propios investigadores. “Creamos el código, porque no existen herramientas para este tipo de cálculo computacional. Además, con algunos trucos en el diseño del código de cálculo, logramos acelerar el proceso y obtener en un par de días resultados que nos hubieran demandado dos o tres meses”, señala Foa Torres.

Sobre las implicancias de sus resultados, Foa Torres agrega: “El problema de la interacción del grafeno con la luz es interesante, también para entender otras propiedades más exóticas de la materia. En particular, se espera que en ciertas condiciones, mientras permanezca iluminado por el láser, el material se comporte como un ‘aislante topológico’; es decir, que no conduzca electricidad en su interior pero sí a través de su superficie. Esto serviría por ejemplo para una nueva generación de memorias”.

De la cinta Scotch al Nòbel
Aunque actualmente se sabe que los nanotubos son planchas de grafeno enrolladas sobre sí mismas, desde que estas estructuras cilíndricas fueron reconocidas en 1991, nadie había intentado buscar –menos aun aislar– el grafeno. Simplemente se pensaba que tal hazaña no sería posible, ya que un material de esas características sería altamente inestable.

Quien lo logró fue Andre Geim, un físico ruso formado en su país natal, que luego se radicó en Gran Bretaña, donde investiga en la Universidad de Manchester. Junto a Konstantin Novoselov, un compatriota con quien trabaja en la misma área, Geim publicó los resultados del estudio “Electric field effect in atomically thin carbon films» [www.condmat.physics.manchester.ac.uk/pdf/mesoscopic/publications/graphene/Science_2004.pdf], en la revista Science, el 22 de octubre de 2004. En reconocimiento de su aporte –el aislamiento y la caracterización del nuevo material–, ambos recibieron el Premio Nobel de Física en 2010.
Lo singular, radica en el ingenioso método que Geim y Novoselov pusieron en práctica para obtener una única lámina de grafeno. Según reconoció Geim, en una entrevista años atrás, en su laboratorio ordenó a un estudiante de doctorado obtener la capa más fina posible, a partir de una pieza de grafito. El joven utilizó un aparato y obtuvo una diminuta pieza de aproximadamente 0,01 milímetros, que equivalen a un millar de láminas de grafeno.

¿Cómo logró Geim, entonces, obtener una capa aun más delgada del material? Con uno de los insumos más baratos del planeta: cinta Scotch. Colocó la banda sobre el grafito y la despegó. De esa forma, diminutas películas quedaron adheridas a la cinta. La plegó sobre sí misma y volvió a separarla. Repitió este paso una veintena de veces. En cada ciclo, las capas se iban separando cada vez más. Al final del proceso, el experimento les permitió alcanzar un mínimo espesor.
Luego, transfirieron las láminas a un sustrato de silicio y con observaciones mediante microscopios ópticos, lograron detectar que algunas de las láminas tenían un espesor de apenas un átomo y, a pesar de todo, eran químicamente estables a temperatura ambiente.

“Lo que hizo muy popular al grafeno, es que Geim y Novoselov lograron ponerlo al alcance de prácticamente cualquier laboratorio en el mundo, porque el equipamiento necesario para aislarlo es mínimo y el grafito es relativamente barato. Es un mensaje revolucionario, porque demuestra los avances que se pueden lograr con recursos materiales relativamente modestos”, explica Foa Torres.

Desde entonces, el grafeno estuvo bajo la lupa de la comunidad científica internacional. Es un campo de estudio que avanza a una velocidad sin precedentes. Sus posibles aplicaciones son innumerables: transistores ultra rápidos, pantallas táctiles, celdas solares, dispositivos electrónicos flexibles y sensores de gases. Hasta el presente mediante métodos cuasi-industriales se han logrado crear planchas de más de medio metro de ancho de grafeno [Más información: www.nature.com/nnano/journal/v5/n8/abs/nnano.2010.132.html]

El papel original que Geim y Novoselov publicaron en Science, ha sido citado en más de 6.000 oportunidades, además de ser uno de los trabajos que les valió el máximo reconocimiento científico. Para ponerlo en perspectiva, un típico trabajo en Science recibe, a grosso modo, entre 30 y 50 citas. Otro estudio señala, que del total de papeles publicados en la prestigiosa America Physical Society, en los últimos 110 años, cerca del 70 por ciento no colecta más de diez citas en su historia [http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.73.6511&rep=rep1&type=pdf].

Nada mal para Geim, un científico oriundo de Sochi, una localidad rusa sobre la costa este del Mar Negro, cuyo primer reconocimiento internacional le llegó en 2000, por haber hecho levitar una rana en un campo electromagnético. Con ese trabajo Geim y otros colegas ganaron un Ig Nóbel en 2000, una distinción que parodia el premio que concede la Real Academia de las Ciencias de Suecia, y busca reconocer trabajos que primero provocan sonrisas, pero luego ayudan a la gente a pensar.

Geim es el único que, hasta el presente, ostenta el exclusivo mérito de haber ganado un Ig Nóbel (2000) y un Nòbel una década después.

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