Fuente: Hari Manoharan / Stanford University

GRAFENO: FÍSICA Y APLICACIONES

TECNOLÓGICAS EN DOS DIMENSIONES

YENNY HERNÁNDEz

GRAFENO: FÍSICA Y APLICACIONES

TECNOLÓGICAS EN DOS DIMENSIONES

YENNY HERNÁNDEz

68 Hipótesis, apuntes científicos uniandinos, núm. 14, mayo del 2013

Grafeno: física y aplicaciones tecnológicas en dos dimensiones

Yenny HernándezPh. D. Profesora asistente del Departamento de Física de la Universidad de los Andes, yr.hernandez@uniandes.edu.co

cada cierto tiempo mentes curiosas nos muestran que las preconcepciones que teníamos sobre cómo funciona la naturaleza están erradas o simplemente no nos permi-ten ver fenómenos físicos interesantes a nuestro alrede-dor. en ciencias, a estas preconcepciones las llamamos paradigmas, y estos nos permiten por cierto tiempo tener un orden —o un método, si se quiere— para abordar un problema científico.

alguien alguna vez dijo que no se llegó a la bombilla eléctrica haciéndole pequeñas mejoras a una vela. se necesitó investigación básica y mentes curiosas para llegar a un desarrollo que cambió la forma como iluminamos nuestros hogares. en ciencia hay muchos ejemplos de cambios de paradigmas, incluyendo la teoría de la relatividad de einstein, y más recien-temente el descubrimiento de los cuasicristales y el grafeno.

en el caso de los cuasicristales, el científico Dan shechtman observó en el microscopio electrónico cristales ordenados no periódicos [1]. su descubrimiento le hizo merecedor de burlas de sus colegas, pues renombrados científicos, así como los libros de texto, afirmaban que este tipo de materiales no podían existir en la naturaleza. sin embargo, otros científicos en diversas partes del mundo empezaron a corroborar las observaciones de shechtman [2], lo que lo hizo merecedor del Premio nobel de química en el año 2011. cabe mencionar que la definición de qué es un material cristalino debió ser revisada y actualizada en los libros de texto para que estuviera a tono con estos materiales recientemente descubiertos.

el grafito es un material que está compuesto de capas hexagonales de carbono superpuestas. a cada una de estas capas la llamamos grafeno, y por muchos años hemos sabido aprovechar el hecho de que estas se deslizan con relativa facilidad entre sí para utilizar el grafito como material lubricante o simplemente para escribir en una hoja de papel. la posibilidad de aislar una sola capa de grafeno de un cristal de grafito era considerada imposible, pues cálculos teóricos predecían que sería termodinámicamente inestable y que rápidamente colapsaría en una estructura curva [3].

en el año 2004, los profesores andre geim y Konstantin novoselov, de la universidad de manchester, reportaron la observación de una capa de grafeno estable a temperatura am-biente [4]. el método de preparación que utilizaron para obtener grafeno se llamó de dela-minación mecánica y simplemente consiste en quitar repetidamente capas de un cristal de grafito con cinta pegante hasta llegar a una sola capa. geim y novoselov lograron identificar el grafeno utilizando un microscopio óptico, lo que también fue revolucionario, pues mate-

Universidad de los Andes, Facultad de ciencias 69

riales con grosores de menos de un nanómetro generalmente solo pueden observados con microscopios electrónicos o de fuerza atómica.

aunque el trabajo de geim y novoselov fue rechazado en varias ocasiones por reconocidas revistas científicas, cuando fue publi-cado no fue recibido con resistencia, como ocurrió con el trabajo de shechtman. la curiosidad que en el mundo de la física cau-só un material que puede ser aislado con cinta pegante y que puede ser observado con un microscopio óptico fue en realidad como un respiro para la ciencia experimental, cuyas técnicas de preparación y caracterización de materiales avanzados son cada vez más complejas y costosas.

Desde entonces el grafeno ha causado una revolución en la física y la ciencia de materiales por sus impresionantes pro-piedades mecánicas, ópticas y de transporte eléctrico (tabla 1). adicionalmente, el grafeno ha permitido realizar experimentos de electrodinámica cuántica y de física atómica y molecular para observar fenómenos como la paradoja de Klein [5], que consiste en que los electrones en grafeno pueden tunelar una barrera de potencial de cualquier característica con una probabilidad del 100%, o el colapso atómico [6], que consiste en que electrones cercanos a un núcleo con un número crítico de protones (carga positiva) son atraídos hacia el núcleo para luego emitir un po-sitrón. este fenómeno ha sido una pregunta abierta en física nuclear por muchos años y hasta ahora no se habián podido te-ner electrones lo suficientemente rápidos o núcleos lo suficien-temente estables que permitieran su observación experimental.

se han desarrollado métodos químicos y físicos para la produc-ción a gran escala de grafeno. la calidad (cristalinidad) de las muestras depende en gran medida del método usado (tabla 2). la exfoliación mecánica sigue siendo el método preferido por los físicos debido a la alta calidad de los cristales producidos. la exfoliación de grafeno en fase líquida a partir de grafito por métodos físicos [11] o químicos [12] permite obtener grafeno en grandes cantidades, lo que impulsó a los científicos de ma-teriales a desarrollar aplicaciones como celdas de combustible, electrodos conductores y materiales reforzados. la deposición química en fase de vapor (cVD) permite la producción de capas

Figura 1. Delaminación mecánica de grafito para obtener grafeno (© Scientific American)

Tabla 1. Algunas propiedades físicas del grafeno

Grafeno Otros materiales

Resistencia mecánicaMódulo de Young [7] Y = 1 TPaResistencia intrínseca = 1 GPa

Acero Y = 0,2 TPa

Transporte térmicoConductividad térmica [8]~5.000 WmK-1 Diamante ~2.000 WmK-1

Transporte eléctricoMovilidad de electrones a temperatura ambiente [9] μ = 2,5 x 105 cm2 V-1 s-1

Silicio μ = 1.400 cm2 V-1 s-1

Propiedades ópticasAbsorción óptica de 2,3% en un rango muy ancho de frecuencias [10]

100 capas de oro serían necesarias para tener esa absorción óptica

Tabla 2. Propiedades del grafeno obtenido por diferentes métodos [14]

Método Tamaño delcristal (μm)

Tamaño de la muestra

(mm)

Movilidad(cm2 V-1 s-1) Aplicaciones

Exfoliación mecánica

>1.000 >1 2 x 105 • Investigación

Exfoliación química

≤0,1

Puede formar grandes áreas con capas superpuestas

100

• Recubri-mientos

• Tintas con-ductoras

• Películas conductoras

• Materiales compuestos

Óxido de grafeno

~100 Puede formar grandes áreas con capas superpuestas

1

• Recubri-mientos

• Almacena-miento de energía

• Películas conductoras

• Materiales compuestos

Deposición química en fase de vapor (CVD)

1.000 ~1.000 10.000

• Fotónica• Nanoelec-

trónica• Sensores

Crecimiento sobre SiC

50 100 10.000• Transistores

de alta frecuencia

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de grafeno en áreas del tamaño de una pantalla de televisión [13], lo que la convierte en uno de los métodos más promete-dores para el desarrollo de aplicaciones a base de grafeno en un futuro no muy lejano. adicionalmente, es posible evaporar átomos de carburo de silicio (sic) y obtener grafeno en áreas del tamaño de una oblea de silicio (~13 cm de diámetro) en condi-ciones de alto vacío y alta temperatura. esta técnica permite pro-ducir grafeno de alta calidad, pero su montaje experimental es costoso y poco accesible a la comunidad científica en general.

el rápido desarrollo del grafeno invita a soñar con aplicaciones que revolucionarán la tecnología (figura 2). Por esto es necesario ser realistas y críticos con respecto a los verdaderos alcances de este nuevo material. Pantallas táctiles que utilizan el grafeno como electrodo conductor han demostrado ser un fuerte com-petidor del ito (material que utilizamos en los dispositivos ac-tuales), por su flexibilidad, costo y durabilidad. la introducción de grafeno, sin embargo, en papel electrónico (e-paper ) o en diodos orgánicos (oleD) flexibles aún tiene algunos retos, como alcanzar la reducción de la resistencia de contacto con los otros materiales utilizados y un mejor recubrimiento de superficies, en el caso de los oleD. en el caso de los transistores de alta frecuencia, estos deben poder trabajar en el orden de los 1012 Hz (tHz), valor que aún no se ha alcanzado experimentalmente.estos desafíos, sin embargo, no han detenido a los científicos e in-genieros en la obtención de patentes para futuras aplicaciones. la competencia mundial es liderada por china (figura 3), aunque es importante anotar que en corea, samsung está haciendo grandes

avances para lo que ellos proyectan como un futuro de electrónica flexible (samsung posee un total de 407 patentes en grafeno). ibm, en estados unidos, un poco más centrada en el desarrollo de electrónica de alta frecuencia, tiene hasta ahora un total de 134 patentes en grafeno, lo que hace de ella el segundo competidor industrial después de samsung. ¿Permite esto suponer que apli-caciones a base de grafeno llegarán a nosotros más pronto de lo que pensábamos? muy probablemente no. en la industria, la com-petencia por las patentes es fuerte, y muchas veces improductiva. la mayoría de las patentes no traen dividendos económicos, pero el hecho de que el número sea alto significa que algunas lo harán.

esto también es muestra de la brecha que aún existe entre la academia y la industria. los efectos físicos observados en gra-feno nos seguirán asombrando por muchos años, y la industria tendrá que aprender un poco de física para explotar el verdadero potencial de este material. es sorprendente ver cómo el reino unido, país que le dio vida al grafeno en 2004, se encuentra tan rezagado en la competencia por las patentes, con 54 aplicacio-nes en total. esto quizá es una muestra de que la academia tam-bién debe aprender de la industria en términos de desarrollos tecnológicos. ideas innovadoras en el área del grafeno podrían dar a nuestros estudiantes una opción laboral en el desarrollo de productos de alto valor agregado que aproveche el potencial en ciencia básica en ingeniería disponible. el acompañamiento de las universidades a estas empresas de base tecnológica es fundamental, y en mi opinión debe ser prioridad de los gobiernos y de las agencias de financiación. •

Figura 2. Algunas aplicaciones a base de grafeno recientemente desarrolladas. Izquierda: supercapacitores impresos a gran escala en un sustrato flexible para almacenamiento de energía [15]. Derecha: transductor electrostático (parlante en miniatura) a base de grafeno, que funciona en el espectro completo de frecuencias audibles (20 Hz-20 kHz) [16].

Marco

7 mm

Diafragma de grafeno

Universidad de los Andes, Facultad de ciencias 71

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Figura 3. Número de patentes en grafeno por país (© Cambridge IP)

2500

2000

1500

1000

500

0

Núm

ero

de p

aten

tes

en g

rafe

no

China Estados Unidos Corea Reino Unido