Heteroestructuras de van der Waals basadas en grafeno

André K. Geim, Premio Nobel de Física por el grafeno, nos habla en Nature de las heteroestructuras de van der Waals, formadas por capas de un sólo átomo de grosor encajadas unas encima de otras como piezas de LEGO (las heteroestructuras convencionales se forman por capas cuyo grosor es de muchos átomos). Fabricar las heteroestructuras de van der Waals hace pocos años parecía imposible, pero ahora hay muchos grupos de investigación en el mundo que las estudian. Sus inusuales propiedades dan lugar a nuevos fenómenos físicos que podrían tener múltiples aplicaciones. Los que tengan acceso a Nature disfrutarán con el artículo A. K. Geim, I. V. Grigorieva, «Van der Waals heterostructures,» Nature 499: 419–425, 25 Jul 2013. Ya hablé de ellas en este blog en «Un curioso déjà vu: La mariposa de Hofstadter observada en Nature y en Science,» 26 Jun 2013.

Un curioso déjà vu: La mariposa de Hofstadter observada en Nature y en Science

En ciencia muchas veces varios grupos de investigadores realizan el mismo descubrimiento de forma simultánea. Se ha publicado en dos artículos en Nature y en uno en Science la observación de la mariposa de Hofstadter en un nuevo material compuesto de grafeno depositado sobre un sustrato de nitruro de boro hexagonal (hBN). En Nature lo han llamado superred de moiré, porque el material muestra un patrón de moiré, la alternancia de regiones más blancas, más rojas y más azules en la figura, donde los átomos de carbono del grafeno están en gris y los átomos del nitruro de boro en azul y rojo. Pero en Science han preferido el nombre de heteroestructura de van der Waals, porque al colocar una capa de grafeno sobre un sustrato de hBN aparecen fuerzas de van der Waals entre ambas capas. Dos nombres distintos para el mismo material. Como se muestra en la figura, algunos átomos de carbono del grafeno se colocan entre los átomos de hBN, mientras otros se enfrentan a ellos. El patrón de moiré de largo alcance conduce a la aparición de regiones en las que la masa efectiva de los portadores es positiva, m(r)>0, o negativa, m(r)<0; recuerda que en el grafeno los portadores se comportan como partículas de Dirac con masa nula m(r)=0. Como resultado la estructura de bandas electrónicas del material difiere de la del grafeno, apareciendo efectos tan curiosos como el efecto Hall cuántico fraccionario a ±5/3. Además, la respuesta del material a campos magnéticos conduce a una estructura fractal para las bandas electrónicas con la forma de «mariposa de Hofstadter» (fenómeno predicho en 1976). En uno de los artículos en Nature colaboraron españoles, como nos recuerdan en «Al grafeno le salen mariposas por un extraño efecto cuántico,» Agencia SINC, 15 may 2013; muchos medios se han hecho eco de esta noticia porque uno de los artículos en Nature está firmado por el Premio Nobel de Física André K. Geim, de la Universidad de Manchester. Los artículos técnicos son B. Hunt et al., «Massive Dirac Fermions and Hofstadter Butterfly in a van der Waals Heterostructure,» Science 340: 1427-1430, 21 Jun 2013; C. R. Dean et al., «Hofstadter’s butterfly and the fractal quantum Hall effect in moiré superlattices,» Nature 497: 598–602, 30 May 2013; y L. A. Ponomarenko et al., «Cloning of Dirac fermions in graphene superlattices,» Nature 497: 594–597, 30 May 2013. Más información en Michael S. Fuhrer, «Critical Mass in Graphene,» Science 340: 1413-1414, 21 Jun 2013.

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

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.

Un oscilador en anillo con transistores de grafeno

Un oscilador en anillo consiste en un número impar de inversores (puertas lógicas NOT) en serie con la salida de la última conectada a la primera; normalmente se usa como inversor una etapa amplificadora inversora de transistores formada por dos transistores. La ventaja de este circuito es que puede integrarse en chip sin necesidad de un condensador externo. En aplicaciones de alta frecuencia se pueden usar transistores de grafeno GFET en los que la movilidad de portadores es muy alta (alcanzan frecuencias de corte de hasta 420 GHz). Daniel Schall (AMO GmbH, Aachen, Germany) y sus colegas presentan en Graphene 2013, que se celebra en Bilbao (España) esta semana, un diseño de un oscilador en anillo con GFET. Está formado por 6 transistores GFET de tipo n y 6 transistores GFET de tipo p, lo que corresponde a un oscilador en anillo de 5 inversores (la sexta pareja de GFETs desacopla el oscilador del equipo de medida). La frecuencia fundamental de oscilación del anillo se puede ajustar entre 20 y 30 MHz usando el voltaje de entrada y el tiempo de retraso por inversor es de sólo 3 ns. Más información en Daniel Schall, Daniel Neumaier, Heinrich Kurz, «Graphene-based Integrated Circuits: From an Inverter Towards a Ring Oscillator,» Graphene 2013, April 23-25, Bilbao, Spain [long abstract]. Más detalles sobre este tipo de inversores con GFET en Laura Giorgia Rizzi et al., «Cascading Wafer-Scale Integrated Graphene Complementary Inverters under Ambient Conditions,» Nano Lett. 12: 3948−3953, 2012 [free pdf].

Nuevos transistores transparentes de grafeno y nanotubos de carbono con dieléctrico arrugado

Fabricar transistores en películas transparentes que se puedan estirar y pegar sobre cualquier superficie no es nada fácil. En los transistores de efecto de campo (FET) el mayor problema es el dieléctrico, poco robusto ante deformaciones y estiramientos. Se ha publicado en Nature Materials una nueva propuesta de transistor de grafeno y nanotubos de carbono que soluciona el problema del dieléctrico usando una capa de Al₂O₃ arrugada que atrapa aire, capaz de resistir estiramientos de hasta el 20% sin degradación apreciable de sus propiedades. Gracias a ello se puede pegar a superficies arrugadas como un tubo de pasta de dientes. El artículo técnico es Sang Hoon Chae et al., «Transferred wrinkled Al2O3 for highly stretchable and transparent graphene–carbon nanotube transistors,» Nature Materials 12: 403–409, 2013.

Altavoces con diafragma de grafeno para música de alta fidelidad

Si se pueden utilizar nanotubos de carbono para fabricar una radio, por qué no usar grafeno para fabricar un altavoz; su bajísima densidad asegura una buena respuesta para frecuencias altas y su gran resistencia mecánica es ideal para las bajas. Dos físicos de la Universidad de California en Berkeley, Zhou y Zettl, han logrado fabricar un pequeño altavoz ideal con una respuesta en frecuencia excelente en todo el espectro audible (20 HZ – 20 kHz), mucho mejor que la mayoría de los usados en dispositivos móviles (audífonos, cascos de música, teléfonos móviles, ordenadores portátiles, etc.). La gran ventaja de los altavoces con diafragma de grafeno es que no requieren un dispositivo de amortiguamiento para evitar frecuencias no deseadas, gracias a su extrema delgadez utilizan el propio aire circundante, por lo que se reduce el consumo a sólo unos nanoamperios, mejorando en gran medida la eficiencia respecto a los altavoces convencionales. Quizás no falte mucho para que escuches música usando altavoces de grafeno. El artículo técnico es Qin Zhou, A. Zettl, «Electrostatic Graphene Loudspeaker,» arXiv:1303.2391, 10 Mar 2013. Más información divulgativa en Belle Dumé, «Graphene loudspeaker could rival commercial speakers and earphones,» Physics World, Mar 29, 2013.

Varias noticias de ciencia que te pueden interesar

El material sólido más ligero del mundo es un aerogel de grafeno con una densidad de 0,16 miligramos por centímetro cúbico (sólo el doble de la densidad del hidrógeno) y menos denso que el helio. Este material esponjoso se fabrica por liofilización (congelación y posterior deshidratación por sublimación en una cámara de vacío) a partir de óxido de grafeno y carbono. El grafeno y sus derivadas son un gran pozo de sorpresas. Nos lo han contado Damien Gayle, «Scientists develop lightest solid material ever which can balance on top of a flower,» Daily Mail, 20 Mar 2013, Michael Rundle, «Graphene Aerogel Is The World’s New Lightest Material,» Huffington Post UK, 26 Mar 2013, y «Solid carbon, springy and light,» Nature 494: 404, 28 Feb 2013.

Los interesados en los detalles técnicos de su fabricación y caracterización pueden consultar Haiyan Sun, Zhen Xu, Chao Gao, «Multifunctional, Ultra-Flyweight, Synergistically Assembled Carbon Aerogels,» Advanced Materials, AOP 18 Feb 2013, y Han Hu, Zongbin Zhao, Wubo Wan, Yury Gogotsi, Jieshan Qiu, «Ultralight and Highly Compressible Graphene Aerogels,» Advanced Materials, AOP 18 Feb 2013.

Nueva posible causa del síndrome de despoblamiento de las colmenas. Una exposición simultánea a dos pesticidas de uso común en apicultura para matar el ácaro Varroa, que afecta a las abejas, llamados neonicotinoides y coumaphos, pueden afectar al sistema nervioso de las abejas, dificultando su aprendizaje y provocando que olviden el emplazamiento de sus fuentes de alimento. La magnitud de este efecto de los pesticidas sobre el síndrome de despoblamiento de las colmenas todavía no ha sido estimada, pero parece claro que se trata de un nuevo factor a tener en cuenta en este problema multifactorial. Nos lo han contado «Los pesticidas vuelven tontas a las abejas,» Ciencia, ABC.es, 27 Mar 2013, y Rebecca Morelle, «Neonicotinoid pesticides ‘damage brains of bees’,» BBC Science News, 27 Mar 2013. Los artículos técnicos, para los interesados en los detalles, son Mary J. Palmer et al., «Cholinergic pesticides cause mushroom body neuronal inactivation in honeybees,» Nature Communications 4: 1634, 27 March 2013, y Sally M. Williamson, Geraldine A. Wright, «Exposure to multiple cholinergic pesticides impairs olfactory learning and memory in honeybees,» The Journal of Experimental Biology, AOP Feb 7, 2013.

Colisionadores de partículas compactos usando láseres. Los láseres de fibra óptica son muy compactos lo que permite integrar miles de ellos para obtener fuentes láser de muy alta potencia (petavatios), suficiente para utilizarlos para diseñar un colisionador de partículas compacto. P0r ahora todo se queda en un diseño teórico con gran número de inconvenientes prácticos (como el ajuste preciso de la fase de todos los láseres). Quizás el futuro de los grandes colisionadores como el LHC pase por estos nuevos diseños basados en láseres. Nos lo ha contado «Scientists propose revolutionary laser system to produce the next LHC,» PhysOrg, Mar 28, 2013, que se hace eco del artículo técnico de Gerard Mourou, Bill Brocklesby, Toshiki Tajima, Jens Limpert, «The future is fibre accelerators,» Nature Photonics 7: 258-261, 27 March 2013.

La primera imagen óptica de un planeta tipo «Tatooine» (que orbita dos estrellas) gracias a un telescopio del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile. «Según han explicado los expertos, el objeto, llamado catchily 2MASS0103 (AB) b, tiene «una doble vida.» Es tan grande que también puede ser una estrella fallida con una órbita relativamente apretada alrededor de las estrellas binarias centrales. La imagen se tomó en noviembre del año pasado. El posible planeta tiene una masa entre 12 a 14 veces la masa de Júpiter, lo que lo coloca cerca de la línea divisoria entre planetas y enanas marrones; además, orbita a las dos estrellas una distancia de alrededor de 12,5 millones de kilómetros, por lo que podría haber nacido a partir del disco de polvo que las rodea. Nos lo han contado en «Obtienen la primera imagen directa de un planeta que orbita dos soles,» Europa Press, 27 Mar 2013. El artículo técnico es P. Delorme et al., «Direct imaging discovery of 12-14 Jupiter mass object orbiting a young binary system of very low-mass stars,» arXiv:1303.4525, 19 Mar 2013 (Accepted in A&A Letters).

El «grafeno molecular» y la aparición de campos «pseudomagnéticos» sobre fermiones de Dirac

Este vídeo muestra la síntesis molécula a molécula de un nuevo material llamado «grafeno molecular» utilizando un microscopio de efecto túnel. Estos análogos al grafeno se fabrican manipulando moléculas individuales de monóxido de carbono, CO, que son colocadas sobre un substrato de cobre, Cu(111). Estos materiales tienen algunas propiedades semejantes al grafeno, como la propagación de fermiones de Dirac sin masa, pero con la ventaja adicional que presentan grados de libertad que permiten controlar algunas de estas propiedades (lo que es imposible con el grafeno). ¿Para qué se pueden utilizar estos «grafenos exóticos»? Se supone que acabarán teniendo múltiples aplicaciones tecnológicas (si algún día se logran fabricar de forma eficiente), pero en la actualidad su interés es básico, permitir simular ciertos procesos físicos, como transiciones de fase topológicas o la adquisición de masa por parte de fermiones de Dirac. El artículo técnico es Kenjiro K. Gomes, Warren Mar, Wonhee Ko, Francisco Guinea & Hari C. Manoharan, «Designer Dirac fermions and topological phases in molecular graphene,» Nature 483: 306-310, 15 March 2012. Nos cuenta su importancia Jonathan Simon, Markus Greiner, «Condensed-matter physics: A duo of graphene mimics,» Nature 483: 282–284, 15 March 2012, que también se hacen eco del artículo de Leticia Tarruell, Daniel Greif, Thomas Uehlinger, Gregor Jotzu, Tilman Esslinger, «Creating, moving and merging Dirac points with a Fermi gas in a tunable honeycomb lattice,» Nature 483: 302–305, 15 March 2012. Me gusta más el artículo de Gomes et al. porque presenta ilustraciones mucho más atractivas.

El grafeno es un material plano formado por una sola capa de átomos organizados en forma de panal de abeja. Los «grafenos moleculares» permiten imitar esta estructura con la posibilidad de introducir defectos, variaciones de la estructura reticular del material. El interés básico de los análogos exóticos al grafeno está en el estudio del comportamiento de una partícula obligada a moverse en una estructura con forma de panal de abeja. Estas partículas se comportan como fermiones de Dirac sin masa y viajan a la velocidad de la luz. Su estudio se había centrado hasta ahora en el grafeno, pero los «grafenos moleculares» permiten controlar ciertos grados de libertad y estudiar transiciones de fase en las que estos fermiones de Dirac adquieren masa. Estos materiales son análogos físicos de ciertas roturas espontáneas de la simetría y permiten estudiar en el laboratorio fenómenos que de otra forma solo podrían ser estudiados mediante modelos teóricos o computacionales.

Gomes y sus colegas han estudiado la transición de un «grafeno molecular» a una disposición periódica que se conoce como estructura de Kekulé; en esta transición los fermiones de Dirac sin masa adquieren masa. La teoría predice que esta transición debería ir acompañada de la aparición de un campo gauge; estos físicos han observado que los fermiones tras adquirir masa se comportan como si estuvieran en un campo magnético. La aparición y desaparición de un campo magnético «aparente» (que los autores llaman «campo pseudomagnético») tiene una ventaja importante. El campo «pseudomagnético» se puede intensificar hasta alcanzar valores tan enormes como 60 T (teslas); si este campo magnético fuera real el material no sería capaz de soportarlo, sin embargo, al ser un campo «pseudomagnéitco» permite estudiar el comportamiento de fermiones de Dirac bajo estas condiciones tan extremas.

El estudio del «grafeno molecular» dará lugar a aplicaciones tecnológicas, pero para mí lo más interesante es que permite un control sobre los fermiones de Dirac en el «grafeno» que permitirá el estudio experimental de fenómenos que hasta ahora solo se podían estudiar de forma teórica.

El español Tomás Palacios y el transistor de grafeno de nuevo en la revista Nature

«En julio de 2008, Tomás Palacios estaba sentado en un aeropuerto de Boston, Massachusetts, esperando un vuelo retrasado y pensando en su última serie de transistores de grafeno. No estaban funcionando como deberían hacerlo. Palacios pensó cuatro años antes que el grafeno podría ser clave para superar los límites físicos de los transistores basados en silicio. Sin embargo, el camino está plagado de obstáculos: no parece factible diseñar transistores de grafeno capaces de funcionar en conmutación on/off y ejecutar operaciones lógicas digitales. No solo Palacios, muchos otros investigadores han estado lidiando con el grafeno durante años y no han logrado que se comporte como un material adecuado en este campo. Muchos están decepcionados. Palacios afirma que «es muy difícil luchar contra la Naturaleza.» Nos lo cuenta Katherine Bourzac, «Electronics: Back to analogue,» Nature 483: S34–S36, 15 March 2012. Ya sabéis que me encandila cada vez que en Nature habla o se habla de Tomás Palacios. Permíteme una traducción libre de los párrafos que destacan el trabajo de Palacios.

«Palacios tenía que matar una hora en el aeropuerto y se puso a reflexionar sobre sus resultados.» Un transistor se caracteriza por su curva de transferencia que presenta la corriente a través del dispositivo frente al voltaje aplicado. «Se dio cuenta de que el comportamiento eléctrico de un único transistor de grafeno se parece a un circuito formado por múltiples transistores de silicio. Llamó a uno de sus estudiantes y le pidió que comparara un transistor de grafeno contra cierto circuito de silicio. Cuando finalmente regresó a su laboratorio en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en Cambridge, vio que el transistor de grafeno había superado en prestaciones a un grupo de transistores de silicio. Tomás Palacios y su grupo acababan de inventar una nueva rama de investigación.»

«En los últimos años,» dice Palacios, «la gente se ha orientado a aplicaciones del grafeno en las que el silicio no puede competir.» El grafeno es elástico, flexible, transparente y fuerte, propiedades que el silicio no tiene. «La razón por la que el grafeno no puede batir al silicio en aplicaciones electrónicas digitales y analógicas es que posee otras propiedades que lo hacen atractivo,» dice el ingeniero eléctrico Deji Akinwande, que estudia nanomateriales basados en el carbono en la Universidad de Texas en Austin. «El grafeno es ideal para aplicaciones en computación ubicua y para dispositivos electrónicos portátiles transparentes que no se rompen cuando se golpean contra el suelo, no se mojan y son amigables para el entorno.»

Según Palacios “las primeras aplicaciones prácticas del grafeno serán aplicaciones en las que el grafeno es el único material no tenga competidor y sea el único material que pueda usarse.» Como Palacios descubrió un día de 2008 en un aeropuerto, el grafeno permite desarrollar dispositivos altamente eficientes: un único transistor de grafeno se comporta como un dispositivo con muchos transistores de silicio, lo que reduce la potencia eléctrica consumida y ahorra espacio físico.» Palacios ha logrado fabricar un conversor de señales digitales en mensajes Bluetooth utilizando un solo transistor de grafeno, lo que puede tener futuras aplicaciones en teléfonos móviles y sistemas de sensores inalámbricas» (por ejemplo para sistemas de electrodos que se acoplan a la cabeza). «La clave del logro de Palacios es el uso de una propiedad del grafeno llamada ambipolaridad.» El silicio dopado permite propagar electrones (cargas negativas, en los llamados materiales tipo n) o huecos (cargas positivas, en los llamados tipo p). El grafeno es ambipolar porque puede propagar de forma simultánea ambos tipos de cargas.

La ambipolaridad del grafeno fue considerada un problema hace años, pero ahora es una de sus virtudes más destacadas. «El gran impacto futuro del grafeno en la electrónica será guiado por aplicaciones en las que la única opción posible sea utilizar grafeno.» El silicio ya tiene su sitio y en él es el rey; el grafeno tendrá que encontrar el suyo propio para reinar a gusto.

Obviamente, este entrada no es biotecnología, pero en una edición anterior hablé de Tomás Palacios para el carnaval y me gusta volver hacerlo (y no será la última). Por ello, esta entrada participa en la VIII Edición del Carnaval de la Tecnología organizado en esta ocasión por J.M. Mulet en su blog “Los productos naturales ¡vaya timo!,”  quien nos propone como tema estrella la biotecnología. “Las normas de participación las podéis encontrar en el blog del propio carnaval. Podéis comunicarle las entradas como comentario en su post o a su cuenta de twitter (@jmmulet).”

André Geim, Premio Nobel de Física 2010, demuestra en Science como destilar vodka utilizando óxido de grafeno

Sir André Geim, Premio Nobel de Física 2010 por el grafeno y Premio IgNobel de Física por hacer levitar ranas, y sus colegas de la Universidad de Manchester han descubierto que el óxido de grafeno también sirve para destilar alcohol, lo han probado con vodka y lo han publicado en Science. Sellando una botella de vodka con una membrana de óxido de grafeno, el agua que se evapora de la botella puede atravesar la membrana como si no estuviera (el óxido de grafeno es «transparente» al agua, pero el grafeno es impermeable a todos los líquidos y gases, incluso a átomos tan pequeños como el helio), pero las demás moléculas del vodka no pueden hacerlo. El óxido de grafeno se obtiene recubriendo una de las caras del grafeno con grupos hidroxilos OH- (el filtro utilizado está formado por múltiples caras de este óxido de grafeno); la figura de arriba ilustra el paso de las moléculas de agua a través de este filtro, como el alcohol no puede hacer lo mismo, la concentración de alcohol en la botella de vodka crece. No sabemos si Geim ha probado el vodka resultante, pero yo me pregunto por qué han usado vodka en lugar de whisky si no era para disfrutarlo. Me enteré de lo del vodka gracias a Daniel Cochlin, «Supermaterial goes superpermeable,» EurekAlert!, 26 Jan. 2012, y la llamada de antención en Twitter de @RSEF_ESP «Comentaste el paper de Nature sobre la interacción del grafeno con el agua. Mira este de ayer en Science» [link al tuit]. El artículo técnico es R. R. Nair, H. A. Wu, P. N. Jayaram, I. V. Grigorieva, A. K. Geim1, «Unimpeded Permeation of Water Through Helium-Leak–Tight Graphene-Based Membranes,» Science 335: 442-444, 27 January 2012 [gratis en ArXiv].

Los materiales porosos cuyos poros son nanométricos tienen un enorme número de aplicaciones industriales, sobre todo en técnicos de separación y filtrado de sustancias con moléculas pequeñas. Geim y su grupo han observado que una lámina de óxido de grafeno es impermeable a todo tipo de líquidos, vapores y gases, salvo para el agua (el H2O penetra a través de las membranas de óxido de grafeno diez mil millones de veces más rápido que el helio). El óxido de grafeno tiene propiedades mecánicas similares al grafeno y esta aplicación industrial parece muy prometedora. El artículo de Geim et al. describe en detalle cómo fabrican el óxido de grafeno y presenta simulaciones por ordenadorde la dinámica molecular del agua a través de los poros del grafeno (en estas simulaciones la clave son la fuerzas de Van der Waals). El grupo de Geim está estudiando últimamente los cambios que sufre el grafeno cuando se le adhieren moléculas simples de forma esporádica; para mí es increíble la desbordante imaginación que demuestran Geim y sus colegas.