Francis en ¡Eureka!: El grafeno magnético que puede revolucionar la espintrónica

Dibujo20131011 Magnetic moment and Kondo resonance for individual TCNQ molecules

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace para disfrutarlo. Como siempre una transcripción libre.

El grafeno es el material de moda que recibió el Premio Nobel de Física en 2010. Sus numerosas propiedades hacen que sus aplicaciones parezcan casi infinitas. Pero empecemos por el principio, ¿qué es el grafeno? La mina de una lápiz está hecha de grafito, un material que se puede exfoliar fácilmente. El grafito está compuesto por láminas de átomos de carbono fuertemente enlazados entre sí, pero estas láminas están débilmente enlazadas unas con otras, de tal forma que al arrastrar la punta del lápiz sobre una hoja de papel se desprenden bloques de láminas de grafito que quedan adheridas al papel. El grafeno es una lámina de grafito de un solo átomo de grosor. El grafeno está formado por carbono puro, como el diamante, colocado en una estructura hexagonal similar a la del un panal de abejas. Konstantin Novoselov y André Geim, ambos de la Universidad de Manchester, recibieron el Premio Nobel de Física en el año 2010 por desarrollar un nuevo procedimiento para fabricar grafeno de forma industrial mediante una técnica de exfoliación del grafito. El grafeno es el material de moda en nanociencia y nanotecnología por sus sorprendentes propiedades físicas y químicas. Es el material con la mayor conductividad térmica y eléctrica conocido, es el más delgado, el más ligero, el más duro, el más flexible… Muchas de las propiedades del grafeno son dignas del libro de los récords Guinnes.

Dibujo20131011 Spatial distribution of the molecular frontier orbitals for TCNQ adsorbed on graphene-Ru

El Premio Nobel André Geim ha dicho que las aplicaciones potenciales del grafeno son tantas que no se pueden enumerar. ¿Nos puedes contar algunas aplicaciones que ya están demostradas? El carbono es un metal, pero es un mal conductor de la electricidad. Sin embargo, el grafeno se comporta como un semiconductor (igual que el silicio utilizado en electrónica). Los electrones interaccionan con la estructura de panal de abeja de los carbonos y se comportan como cuasipartículas sin masa, llamadas fermiones de Dirac, que se mueven al equivalente de la velocidad de luz en el material, unos mil kilómetros por segundo. Gracias a ello se pueden fabricar transistores ultradelgados de alto rendimiento. La gran ventaja del grafeno es la compatibilidad con las tecnologías de fabricación actuales. Se pueden fabricar baterías de litio en las que el ánodo de grafito se sustituye por grafeno, lo que permite un tiempo de carga diez más rápido que con las baterías actuales. Se pueden fabricar diodos emisores de luz orgánicos (OLED), como los utilizado en los semáforos, pero ultradelgados y con un bajo consumo de energía, ideales para televisores ultradelgados, cámaras digitales y teléfonos móviles, con la ventaja de que pueden ser pantallas flexibles y táctiles. Incorporando nanoesferas (puntos cuánticos) en la superficie del grafeno se logra multiplicar por mil millones su sensibilidad a la luz, lo que permite desarrollar cámaras de vídeo para visión nocturna que pueden funcionar incluso casi sin luz. También se puede dopar el grafeno con silicio amorfo para obtener células solares. La introducción de poros (agujeros) en el grafeno permite desarrollar láminas desalinizadoras para obtener agua potable a partir de agua salada o filtros para gases. El grafeno es un material piezoeléctrico que genera electricidad cuando se flexiona o cuando se le presiona  lo que permitirá fabricar músculos artificiales para robots y sensores mecánicos de muy alta precisión. La verdad es que las aplicaciones del grafeno, como bien decía André Geim, parecen casi infinitas.

Dibujo20131011 Adsorption geometry and charge transfer for individual TCNQ molecules on graphene on Ru

Pero los físicos siguen buscando nuevas propiedades del grafeno para lograr nuevas aplicaciones.  Esta semana ha sido noticia que el grafeno también se puede comportar como un imán. ¿Qué nos puedes contar sobre esta noticia? Físicos españoles del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (Imdea-Nanociencia) y las universidades Autónoma y Complutense de Madrid acaban de publicar en la revista Nature Physics un nuevo material híbrido basado en grafeno que se comporta como un imán. Parecía imposible dotar al grafeno de las propiedades magnéticas necesarias para utilizarlo en espintrónica, la tecnología que en lugar de usar la carga eléctrica del electrón, como hace la electrónica tradicional, utiliza otra propiedad del electrón llamada espín, que determina su momento magnético intrínseco. En los materiales magnéticos la mayoría de sus electrones tienen el espín alineado en la misma dirección, como pequeños imanes cuyo campo magnético se acumula dando lugar a un material imantado. El nuevo material híbrido de grafeno permite hacer lo mismo, algo que parecía imposible.

El artículo técnico es Manuela Garnica, Daniele Stradi, Sara Barja, Fabian Calleja, Cristina Díaz, Manuel Alcamí, Nazario Martín, Amadeo L. Vázquez de Parga, Fernando Martín, Rodolfo Miranda, “Long-range magnetic order in a purely organic 2D layer adsorbed on epitaxial grapheme,” Nature Physics, AOP 28 abril 2013.

Dibujo20131011 Spatially extended intermolecular bands in a TCNQ monolayer adsorbed on graphene-Ru

¿Cómo han logrado estos investigadores madrileños dotar de propiedades magnéticas al grafeno? La primera autora del artículo técnico, Manuela Garnica, y sus colegas han desarrollado un material híbrido formado por una capa de grafeno que crece encima de una capa de un cristal metálico de rutenio. Han depositado encima del grafeno moléculas orgánicas de tetraciano-p-quinodimetano (TCNQ), una sustancia gaseosa que actúa como un semiconductor a bajas temperaturas. Estas moléculas orgánicas se redistribuyen solas de forma periódica encima del sustrato de grafeno-rutenio hasta alcanzar lo que físicos llamamos un estado de orden magnético de largo alcance en el que sus electrones se sitúan en diferentes bandas electrónicas en función de su espín. Este estado magnético periódico de las moléculas de TCNQ se debe a la presencia del grafeno sobre el sustrato metálico de rutenio. El nuevo material tiene propiedades magnéticas similares a la de una red de pequeños imanes a escala nanométrica.

Dibujo20130511 Primeros pasos hacia la espintronica basada en grafeno - SINC

¿Qué aplicaciones puede tener el nuevo material magnético basado en grafeno? Dotar al grafeno de magnetismo supone un gran avance en electrónica y sobre todo en espintrónica. Se podrán desarrollar nuevos dispositivos nanométricos que prometen aumentar la velocidad de procesamiento de la información de los ordenadores actuales, así como la cantidad de datos que se pueden almacenar en el equivalente a las memorias flash que se utilizan en los lápices de memoria que todo el mundo usa hoy en día. Pero hay muchas otras aplicaciones en campos como las telecomunicaciones, la informática, la energía y la biomedicina. El nuevo material tiene un futuro muy prometedor y para mí es una gran noticia que hayan sido físicos españoles sus descubridores.

Como siempre, si aún no has escuchado el audio de mi sección ¡Eureka! sigue este enlace para disfrutarlo.

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6 pensamientos en “Francis en ¡Eureka!: El grafeno magnético que puede revolucionar la espintrónica

  1. Excelente avance con estás nuevas propiedades del Grafeno…

  2. Pues, aunque peque de cansino, yo seguiré pidiendo más info en este tipo de entradas. ¿Cual es el rango de temperaturas en las que trabaja el TCNQ?.

  3. quizás estaría binen un post sobre metales, no metales y diversos estados de conducción eléctrica como complemento

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