• Es el material más
duro y delgado jamás hallado y el mejor conductor de electricidad
y calor, dijo Gerardo García Naumis, del Instituto de Física
de la UNAM
• Se podrán fabricar aparatos electrónicos innovadores,
transistores más eficientes, procesadores más veloces,
nuevos paneles de luz, además de otros productos fuertes,
elásticos y translúcidos
De la punta de un lápiz se puede obtener
algo nunca antes visto para la física teórica, un nuevo
material de sólo dos dimensiones, con propiedades asombrosas:
el grafeno.
En 2004, los físicos Andre Geim y
Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester, Inglaterra,
obtuvieron en laboratorio capas de grafeno a partir de un experimento
que consistió en despegar repetidas veces una cinta adhesiva
doblada e impregnada de hojuelas de grafito.
Seis años después, los científicos
rusos ganaron el premio Nobel en Física por sus aportaciones
a la ciencia básica relacionadas con las propiedades de ese
cristal de carbono bidimensional (algo que no podía existir)
y con sus posibles aplicaciones tecnológicas.
“Los experimentos realizados con el
grafeno suponen un punto de inflexión en los fenómenos
de la física cuántica”, dijo el comité
de los premios Nobel.
“El grafeno es el material más
duro y delgado jamás hallado (es un millón de veces
menos grueso que una hoja de papel); es también el mejor conductor
de electricidad y de calor; además, tiene propiedades ópticas
interesantes”, aseguró Gerardo García Naumis,
quien encabeza un equipo de investigadores dedicado a su estudio teórico
en el Instituto de Física (IF) de la UNAM.
Con el grafeno se podrán fabricar,
en un futuro próximo, aparatos electrónicos innovadores,
transistores más eficientes que los actuales de silicio, procesadores
más veloces, nuevos paneles de luz, celdas solares, además
de otros productos y componentes fuertes y, al mismo tiempo, delgados,
elásticos y translúcidos. Además, mezclado con
plásticos será un conductor de electricidad resistente
al calor.
Transistores de grafeno
El grafeno es una lámina formada por
átomos de carbono dispuestos en los vértices de una
red hexagonal que se parece a un panal de abejas; es como una autopista,
donde la movilidad electrónica es 10 veces mayor que en los
mejores materiales conductores, lo que permite que los electrones
conduzcan la electricidad con mucha más rapidez.
Con esa cualidad, se podrán sustituir
los transistores de silicio, que ya no se pueden hacer más
pequeños sin correr el riesgo de degradarse rápidamente
y generar calor en extremo; con los de grafeno se podrán elaborar
procesadores de computadoras más veloces y ahorradores de energía.
El primer trabajo de García Naumis
sobre el grafeno, publicado en 2006, es una predicción teórica
para resolver el problema que implica construir transistores con ese
material.
“En el grafeno es difícil ‘detener’
los electrones, y en un transistor, éstos tienen que ser controlados
con una especie de llave, que a veces hay que cerrar y abrir, de manera
que se puedan hacer unos y ceros, como si fueran pulsos de corriente”,
indicó.
Entonces, propuso dopar el grafeno con una cierta concentración
de átomos ligeros (de hidrógeno y litio, por ejemplo)
para generar un material semiconductor, en el que sí se pueda
controlar el flujo de electrones.
En 2009, un grupo de investigación
de la Universidad de California, en Estados Unidos, demostró
que los cálculos de esa propuesta son correctos y que sí
se pueden hacer transistores de grafeno.
Este trabajo sobre el dopaje del grafeno
fue incluido en el Virtual Journal of Nanotecnology, que
cada mes publica los mejores artículos en la materia a nivel
mundial.
Predicción teórica
Otra alternativa para controlar los electrones
de carbono es la irradiación del grafeno con ondas electromagnéticas,
sean de radio o de luz. Mediante este proceso, los electrones adquieren
una “masa efectiva” y, por lo tanto, se genera una fuerte
respuesta no lineal.
“Pronosticamos que si el sistema es
perturbado con una frecuencia dada, genera lo que se llaman armónicos,
es decir, responde con el doble o el triple de frecuencia. Por este
efecto no lineal, el grafeno podría trabajar a frecuencias
mucho más altas de las esperadas, operar a velocidades más
rápidas de reloj”, explicó.
Esta solución para controlar los electrones,
postulada con base en un enfoque cuántico relativista por García
Naumis y su alumno de doctorado Francisco López Rodríguez
fue comprobada por investigadores de la Universidad de Massachusetts,
EU.
Una vez publicada por la editorial inglesa
Francis & Taylor, la solución fue incluida en el Philosophical
Magazine y seleccionada como uno de los siete artículos
científicos más importantes relacionados con el premio
Nobel de Física 2010.
“Como somos teóricos, hicimos
una predicción para controlar los electrones del grafeno por
medio de la introducción de impurezas y establecimos una primera
ecuación que nos permite obtener la respuesta de esos electrones
con campos electromagnéticos. La solución de esta ecuación
tiene utilidad práctica: con ella es posible diseñar
transistores de ese material, así como estudiar fenómenos
a nivel cuántico relativista”, añadió el
investigador universitario.
Analogía
“Visto al microscopio, el grafeno es
como una sábana arrugada: plano, con ligeras ondulaciones,
como suponía la física teórica que debería
ser un cristal bidimensional”.
En la actualidad, García Naumis estudia
qué sucede a los electrones cuando “sienten” esas
ondulaciones, lo que es equivalente a considerar partículas
en un espacio curvo.
Para lograr una descripción del movimiento
de los electrones en el grafeno, en el marco de la gravedad cuántica
relativista, el investigador trabaja en una analogía en colaboración
con el cosmólogo Richard Kerner, de la Universidad de París,
Francia.
Un resultado preliminar del proyecto fueron
algunas ecuaciones que describen los electrones en ese espacio curvo,
parecidas a las ecuaciones relativistas.
“Aún hay que explorar más
en esa analogía; quizás podría dar pistas que
ayuden a relacionar la mecánica cuántica relativista
con la gravedad, algo que no alcanzó a hacer Albert Einstein”.
Esto, en principio, a partir de un material que puede desprenderse
de la punta de un lápiz, concluyó.
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