El grafeno es casi invisible para el agua en humectación

La manera en la que una gota de agua moja una superficie plana está dominada por las fuerzas de van der Waals entre las moléculas de la superficie y las de agua. Para sorpresa de muchos, el grafeno es invisible (o transparente) para el agua cuando ésta moja una superficie de cobre, oro o silicio, aunque no cuando es de cristal. Cuando digo invisible quiero decir que al recubrir la superficie con una capa de grafeno (una capa de carbono de un solo átomo de grosor) no cambia el ángulo de contacto; conforme el número de capas de grafeno crece, dicho ángulo tiende al del agua sobre grafito (se necesitan al menos 6 capas de grafeno, aunque con 3 ya se ve el cambio). Los investigadores lo han descubierto gracias a medidas experimentales y han descubierto el porqué gracias a simulaciones de dinámica molecular (como las mostradas en la figura que abre esta entrada). La razón es que el grafeno es más delgado que la escala típica de interacción de las fuerzas de van der Waals. Además, el grafeno incrementa entre un 30% y40% la transferencia de calor por condensación con el cobre, gracias a que su presencia suprime la oxidación de éste. Esta propiedad tendrá importantes aplicaciones industriales para el desarrollo de superficies conductoras de la electricidad que sean impermeables. El artículo técnico es Javad Rafiee et al., “Wetting transparency of graphene,” Nature Materials, Published online 22 January 2012. Me he enterado gracias a un tuit #AA de César (@EDocet).

El grafeno es una capa de un solo átomo de grosor de átomos carbono dispuestos en una retícula hexagonal tipo panel de abeja. Sus propiedades son extraordinarias en estabilidad química, resistencia mecánica, flexibilidad, alta conductividad eléctrica y térmica, entre otras. Además es casi transparente a la luz, ya que la absorción óptica de una sola capa de grafeno es de solo ~2,3% en el espectro visible; combinado con su alta conductividad eléctrica permite desarrollar electrodos conductores transparentes. La interacción del grafeno con el agua ha sido poco estudiada, hasta ahora. En superficies como cobre, oro o silicio  las fuerzas de van der Waals controlan la humectación y una capa de grafeno resulta transparente a estas fuerzas; los autores del estudio llaman a este efecto: humectación transparente del grafeno. Los autores afirman que el grafeno es el primer material conocido con esta propiedad de transparencia humectante. Lo más importante es que el grafeno es un buen conductor de la electricidad, al contrario que la mayoría de las superficies hidrófugas y superhidrófugas, que tienen una energía superficial baja y generalmente son aislantes eléctricos. El revestimiento de una superficie con grafeno podría dar lugar a una nueva clase de superficies hidrófugas de alta conductividad eléctrica.

Lo último sobre el grafeno relatado por el Premio Nobel Andre K. Geim

Andre Konstantin Geim, Premio Nobel de Física 2010, nos cuenta de primera mano en qué está trabajando ahora mismo su grupo de investigación en la Universidad de Manchester en su charla “Graphene Update,” Institute of Physics, June 2nd 2011. Aunque la charla está pensada para un grupo general de físicos, la mayoría de los interesados en divulgación científica que entiendan bien el inglés disfrutarán de la charla. Por ciento, la mayoría de los artículos técnicos del grupo de Geim mencionados en la charla están disponibles en ArXiv para el disfrute de los especialistas.

Por cierto, además de la charla de Geim hay otras siete sobre el grafeno en esta lista de reproducción youtube del IOP (no he visto los otros vídeos aún, así que no os puedo recomendar ninguno en concreto).

El grafeno hasta en la olla: Fluorografeno, el nuevo teflón ultraplano

El fluorografeno es un nuevo miembro de la familia del grafeno: una hoja de un átomo de espesor de carbono en la que un átomo de flúor se une a cada átomo de carbono. Este material es un análogo bidimensional al teflón que ha sido desarrollado por los ganadores del Premio Nobel de Física de 2010, Kostya S. Novoselov y Andre K. Geim, de la Universidad de Manchester, Reino Unido. El fluorografeno es un aislante eléctrico (su resistencia es mayor de 1012 Ω), con una resistencia mecánica similar a la del grafeno (su módulo de Young es de 100 N/m) y con una estabilidad química similar a la del teflón (inerte y estable hasta los 400 °C). El fluorografeno es un aislante eléctrico, al contrario que el grafeno que es un buen conductor de la electricidad, por lo que además de poder ser utilizado en aplicaciones donde se usa el teflón,  dada su extrema delgadez también puede ser utilizado como aislante en circuitos microelectrónicos de alta tasa de integración. El artículo técnico es Rahul R. Nair et al., “Fluorographene: A Two-Dimensional Counterpart of Teflon,” Small, Published online on 4 Nov. 2010. Novoselov y Geim aclaran en su artículo que el fluorografeno lo han descubierto ellos los primeros, ya que otros autores han publicado antes que ellos el desarrollo y caracterización de este mismo material; pero según ellos su preprint ha estado público antes que el de los otros. Por ejemplo, Jeremy T. Robinson et al., “Properties of Fluorinated Graphene Films,” Nano Letters 10: 3001–3005, July 16, 2010. Por cierto, Robinson et al. le llaman al nuevo material perfluorografano.

El grafeno actúa como una macromolécula gigante que como otras moléculas puede modificarse mediante reacciones químicas. Novoselov y Geim desarrollaron en 2009 el grafano, grafeno en el que cada átomo de carbono se une a un átomo de hidrógeno y en la actualidad están estudiando cómo unir al grafeno otros átomos. Así ha surgido el fluorografeno (o perflurografano), un análogo bidimensional al teflón (de hecho, el fluoruro de grafito es un material tridimensional muy usado en baterías y como lubricante). Fabricar fluorografeno no es fácil, ya que si hay defectos en la capa de flúor (huecos sin rellenar) las propiedades del grafeno dominan sobre las del fluorografeno (o las propiedades del fluorografeno se degradan y se reducen a las del grafeno). Nair et al. nos proponen dos procedimientos diferentes y Robinson et al. un tercero. Un nuevo material que dará mucho que hablar y que abre la ruta hacia al desarrollo de gran número de moléculas gigantes basadas en el grafeno. 

El comité del premio Nobel de Física de 2010 no hizo bien sus deberes, según un codescubridor del grafeno

Ya lo dijimos en este blog, André Geim y Kostya Novoselov (ganadores del Premio Nobel de Física de 2010) “no son los descubridores originales del grafeno, pero sí son los más famosos codescubridores.” Y como no podía ser menos, los otros codescubridores se han sentido heridos, muy heridos, porque el Comité del Premio Nobel de Física no les ha hecho justicia. No niegan que Geim y Novoselov merezcan el premio, pero les ha molestado que la información publicada por el comité para explicar la concesión del premio haya omitido el papel de los otros codescubridores del grafeno. El físico Walter de Heer, del Instituto de Tecnología de Georgia en Atlanta, envió una dura carta al Comité Nobel el 17 de noviembre afirmando que “el Comité del Premio Nobel no hizo bien sus deberes.” El Comité ha respondido a las críticas: “Vamos a hacer una corrección en la versión web, eliminando sus errores”, afirma Ingemar Lundström, presidente del Comité del Premio Nobel de Física. Nos lo cuenta Eugenie Samuel Reich, “Nobel document triggers debate. Critics say that explanation of the 2010 award in physics slights other contributions to graphene research,” News, Nature 468: 486, 25 November 2010.

El famoso artículo de Geim y Novoselov en Science en 2004, contiene datos sobre las propiedades electrónicas del grafeno a partir del análisis de muestras muy delgadas de grafito, varias capas de grafeno apiladas. Hasta 2005, Novoselov y Geim no publicaron la medida directa de estas propiedades en el grafeno de verdad (de una sola capa). Para entonces, el propio grupo de investigación de Walter de Heer ya había publicado mediciones realizadas en una sola capa de grafeno. Además, el Comité Nobel ha omitido mención a la obra de Philip Kim, de la Universidad de Columbia en Nueva York, que para muchos debería haber compartido el Premio de 2010. La revista Nature ha consultado a Geim y otros expertos sobre esta carta, quienes han ratificado que el documento “se podría haber escrito mucho mejor” (de hecho, Geim afirma que no ha leído el documento hasta que ha saltado la polémica). Más aún, Walter de Heer acusa a la comisión de inexactitud cuando afirma que “fue una gran sorpresa el descubrimiento del grafeno porque se pensaba que era inestable,” afirmación falsa ya que, según él, en 1962, Paul McEuen, de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York, ya indicó que el grafeno era estable. En resumen, De Heer afirma que la adjudicación del Premio Nobel de Física de este año al grafeno es prematura: se necesita más tiempo para ver cumplido el potencial de este material.

Per Delsing, de la Universidad Tecnológica Chalmers en Gotemburgo, Suecia, miembro adjunto del Comité Nobel, reconoce que existe cierta controversia acerca de la concesión del premio al grafeno, pero defiende la labor del Comité: “Cada persona puede, por supuesto, opinar lo que quiera. Pero permítanme asegurarles que el Comité del Nobel ha hecho un gran trabajo de investigación en este tema.” ¡Qué si no va a decir!

Publicado en Science: Ruptura espontánea de la simetría en una bicapa de grafeno

El espectro de energía del grafeno (una capa monoatómica de carbono) y de una bicapa de grafeno presenta una serie de simetrías que se pueden romper de forma espontánea si se aplica un campo magnético. En una bicapa de grafeno esta ruptura de simetría también se observa para un campo magnético nulo (a baja temperatura). Un nuevo artículo publicado en Science muestra por primera vez la observación experimental de la ruptura espontánea de la simetría de inversión temporal (T) en una bicapa de grafeno, predicha con anterioridad por los físicos teóricos. El artículo técnico es Ralf Thomas Weitz et al. (Universidad de Harvard, ), “Broken-Symmetry States in Doubly Gated Suspended Bilayer Graphene,” Science Express, Published Online October 14, 2010 [disponible en ArXiv].

Las propiedades electrónicas únicas (de una capa monoatómica) del  grafeno también se observan en una bicapa de grafeno. La aplicación de un campo eléctrico transversal a la bicapa de grafeno abre una banda prohibida entre la banda de conducción y la de valencia, lo que lo convierte en un semiconductor de interés en la industria microelectrónica y optoelectrónica. Más aún, el efecto Hall cuántico tanto en el grafeno como en una bicapa de grafeno presenta características muy peculiares de gran interés físico. En el grafeno los niveles de Landau degeneran con una simetría de orden cuatro, que en la bicapa de grafeno se transforma en una simetría de orden ocho. La ruptura espontánea de estas simetrías, causada por las interacciones entre electrones, permite utilizar estos materiales como análogos físicos para el estudio de este fenómeno de gran interés en física fundamental (el bosón de Higgs, ahora tan de moda, media la ruptura espontánea de la simetría electrodébil). Para inducir la ruptura espontánea de estas simetrías se aplican campos magnéticos o eléctricos sobre monocapas o bicapas de grafeno de alta pureza que han de ser enfriadas a pocos Kelvin (4 K en este nuevo trabajo). Normalmente se suspenden estas capas en forma de puente entre dos electrodos por encima de un sustrato. La figura que abre esta entrada muestra el dispositivo utilizado en el nuevo artículo. Muchos de los detalles teóricos del fenómeno observado en los experimentos todavía no se entienden bien pero se espera que en los próximos años la comprensión de estos análogos de las rupturas espontáneas de la simetría ayude a entender las que se producen en física de altas energías.

2010 Nobel, Física: Andre Geim y Konstantin Novoselov por el descubrimiento del grafeno

Los dos científicos de la Universidad de Manchester que descubrieron el grafeno, Andre Geim y Konstantin Novoselov han obtenido el Premio Nobel de Física de 2010 por iniciar uno de los campos  de investigación más candentes de la actualidad. Los análisis bibliométricos de Thomson Reuters han acertado este año con un pleno. Mi entrada está basada en el anuncio oficial del Premio Nobel (Prize Announcement). He visto en directo (online) el anuncio, que ha incluido una entrevista a Geim muy emotiva (se le oía muy emocionado por el premio aunque se sabía firme ganador algún día). [PS: Más información en inglés en Advanced Information y Popular Information].

El grafeno es una película de un átomo de grosor de átomos de carbono colocados en una red atómica perfecta. Esta forma del grafeno tiene unas propiedades excepcionales que se originan en las sutilezas de la física cuántica. El grafeno (igual que el diamente) es un material muy duro, aunque solo tenga un átomo de grosor, es buen conductor de la electricidad (mejor que el cobre), del calor (el mejor conductor del calor conocido), es casi transparente (ver la foto adjunta), pero tan denso que ni siquiera un átomo de helio (el átomo más pequeño de un gas) puede atravesar sus agujeros (entre los átomos de carbono).

Geim y Novoselov extrajeron el grafeno de un trozo de grafito (el mismo que se encuentra en cualquier lápiz ordinario). Utilizaron una especie de cinta adhesiva que les permitió extraer del grafito una lámina de un solo átomo de carbono. Muchos científicos creían entonces que era imposible que una lámina de un solo átomo de grosor cualquier material era imposible de fabricar porque era inestable. Geim y Novoselov lograron lo inesperado y con ello se convirtieron en firmes candidatos al Premio Nobel que ahora han obtenido. 

El grafeno ha permitido a los físicos estudiar las propiedades de los materiales en solo dos dimensiones. Muchas de estas propiedades se deben a fenómenos de la física cuántica sin análogo en el mundo de los materiales en tres dimensiones. Las aplicaciones del grafeno están aumentando cada día, entre ellas, la creación de nuevos materiales y la fabricación de productos electrónicos innovadores (como transistores de grafeno) que podrían reemplazar al silicio y el germanio en muchas aplicaciones. Como es prácticamente transparente y un buen conductor, el grafeno es adecuado para la producción de pantallas táctiles transparentes, pantallas para televisores y monitores, e incluso las células solares. Mezclado con plásticos el grafeno los convierte en conductores de la electricidad, haciéndolos más resistentes al calor y más resistente mecánicamente, lo que ha permitido desarrollar nuevos materiales delgados superfuertes, con buenas propiedades elásticas y muy ligeros, con posibles aplicaciones en satélites, aviones y automóviles.

Konstantin Novoselov, de 36 años, es ciudadano británico y ruso, aunque nació en Rusia. Andre Geim, de 51 años, es ciudadano holandés, aunque también nació en Rusia. Novoselov trabajó por primera vez con como estudiante de doctorado de Geim en los Países Bajos. Posteriormente le siguió al Reino Unido. Ambos estudiaron su carrera de física en Rusia. Ahora son profesores de la Universidad de Manchester.

Más sobre el grafeno en este blog:

El grafeno, la panacea de la nanoelectrónica,” 27 Marzo 2009;

Tan fácil como tocar y pegar o cómo depositar capas monoatómicas de grafeno sobre silicio y óxido de silicio utilizando cobre,” 7 Mayo 2009;

Desenrollando nanotubos de carbono multicapa en nanoláminas de grafeno (o cuando una imagen vale más que mil palabras),” 16 Abril 2009;

La meteórica carrera de Tomás Palacios y el transistor de grafeno ultrarrápido,” 4 Mayo 2009;

Nanotransistores con canal de nanotubos para los ordenadores del futuro,” 29 Mayo 2008;

Nanotransistores ultrarrápidos basados en grafeno,” 16 Septiembre 2010;

Quién será capaz de fabricar el grafeno semiconductor,” 28 Marzo 2010;

El joven científico español Tomás Palacios entrevistado en la revista Science,” 26 Marzo 2010;

Grafeno ultraplano sobre un substrato de mica,” 19 Noviembre 2009;

Observado el efecto Hall cuántico fraccionario en grafeno,” 16 Noviembre 2009.

Por cierto, Geim y Novoselov son candidatos al Nobel desde el año pasado: “Quién ganará el Premio Nobel de Física de 2009,” 3 Octubre 2009. Podéis leer en mi entrada “Ahora está muy de moda el grafeno así que yo personalmente acompañaría a Ijima de ANDRE GEIM y KOSTYA NOVOSELOV (tampoco son los descubridores originales del grafeno, pero sí son los más famosos codescubridores).

PS: Richard Van Noorden, “Nobel 2010: Graphene bags physics nobel,” NPG The Great Beyond, October 05, 2010, nos recuerda que el artículo original del descubrimiento de Geim y Novoselov en Science 2004 se puede descargar gratis aquí. Una cinta adhesiva tipo Scotch permitía retirar capas de grafeno de un trozo de grafito. Geim ya ganó el Ig Nobel en 2000 por hacer levitar una rana. Además nos enlaza varios artículos sobre las aplicaciones del grafeno aparecidos en Nature y otras revistas: pantallas táctiles, sensores químicos, electrodos, generadores de frecuencias, materiales compuestos o composites, supercondensadores, transistores, secuenciadores de ADN y muchas otras.

Grafeno ultraplano sobre un substrato de mica

El grafeno es una capa monoatómica de carbono. La rugosidad de esta capa plana de átomos depende del substrato sobre el que se coloque. Ciertas propiedades electrónicas y químicas del grafeno depende de la presencia de estas rugosidades (ondulaciones). Un estudio publicado en Nature ha demostrado que la deposición de grafeno sobre una superficie de mica produce unas rugosidades mucho más pequeñas que su deposición sobre óxido de silicio (SiO2). Para ello han utilizado un microscopio de fuerza atómica (AFM) de alta resolución. Más aún, sobre mica las rugosidades son menores de 25 picómetros. Teóricamente es imposible lograr un grafeno más plano, es decir, sobre mica se suprimen todas las posibles rugosidades. Este tipo de grafeno ultraplano permitirá estudiar en detalle el impacto de las rugosidades sobre las propiedades físicas del grafeno. Las figuras que abren esta entrada muestran el histograma de alturas de las rugosidades observadas con el microscopio de fuerza atómica, así como las superficies correspondientes. Figuras que se aclaran a sí mismas. Los interesados en más detalles pueden recurrir al artículo técnico de Chun Hung Lui, Li Liu, Kin Fai Mak, George W. Flynn, Tony F. Heinz, “Ultraflat graphene,” Nature 462: 339-341, 19 November 2009. Muchos foros se han hecho eco de este interesante artículo, como John Matson, “Ultrathin, Now Ultraflat: Ripple-Free Graphene May Hold Key to Material’s Mysteries,” Scientific American, November 18, 2009.

Observado el efecto Hall cuántico fraccionario en grafeno

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El grafeno (una lámina monoatómica de grafito, átomos de carbono) sigue sorprendiendo a los físicos por sus asombrosas propiedades electrónicas. Dos artículos publicados en Nature han observado el efecto Hall cuántico fraccionario en grafeno, por el que los electrones se comportan como si tuvieran carga fraccionaria, como cuasipartículas que fueran “trozos” de electrones. La interacción entre electrones en un sólido produce un campo efectivo que se interpreta como cuasipartículas con propiedades exóticas. Los electrones en un medio bidimensional plano al que se le aplica un campo magnético fuerte, con cierto ángulo respecto a dicho plano, se comportan como cuasipartículas con una carga fraccionaria, el llamado efecto Hall cuántico fraccionario, observado en experimentos en 1982 por Daniel Tsui y Horst Störmer en heteroestructuras semiconductoras ultrapuras (estructuras formadas por capas alternas en forma de sandwich). Nos lo cuenta Alberto F. Morpurgo, “Condensed-matter physics: Dirac electrons broken to pieces,” News & Views, Nature 462: 170-171, 12 Nov. 2009, que se hace eco de los artículos técnicos de Xu Du, Ivan Skachko, Fabian Duerr, Adina Luican, Eva Y. Andrei, “Fractional quantum Hall effect and insulating phase of Dirac electrons in graphene,” Nature 462: 192-195, 12 Nov. 2009, y Kirill I. Bolotin, Fereshte Ghahari, Michael D. Shulman, Horst L. Stormer, Philip Kim, “Observation of the fractional quantum Hall effect in graphene,” Nature 462: 196-199, 12 Nov. 2009.

En la presencia de un campo magnético los electrones están sometidos a la fuerza de Lorentz que curva su trayectoria en la dirección perpendicular a las del campo aplicado y su velocidad. Estos electrones son desviados y se acumulan en los bordes del material, generando un campo eléctrico que compensa exactamente la fuerza de Lorentz. El voltaje que resulta genera una resistencia eléctrica llamada de Hall, descubierta en 1879, que crece conforme crece el campo magnético aplicado. Un siglo después se descubrió que en un conductor plano (bidimensional) la dependencia de la resistencia con el campo aplicado es más complicada, presenta una serie de escalones (plateaux), debidos al comportamiento cuántico de los electrones en el campo magnético, los niveles de energía de Landau, el llamado efecto Hall cuántico (Premio Nobel de Física de 1985 para el alemán Klaus von Klitzing). En el centro del conductor, los niveles de Landau están separados por bandas prohibidas, pero en los bordes están curvados de forma que definen un canal por el cual los electrones se pueden propagar en una única dirección. Los lectores de Investigación y Ciencia pueden recurrir a Klaus von Klitzing, “El efecto Hall cuántico,” IyC 116, mayo 1986, o la recopilación de artículos de Física del Estado Sólido editada en 1993 por la misma editorial, Prensa Científica.

El efecto Hall cuántico se observa en materiales a muy baja temperatura. Sin embargo, en el grafeno dicho efecto también se observa a temperatura ambiente (descubierto en 2005) siendo el responsable de sus propiedades como semiconductor y dando lugar a las aplicaciones electrónicas del grafeno. Más aún, los niveles de Landau están indexados por un número entero, pero en ciertos materiales se observa que aparecen niveles indexados por un número no entero, se trata del efecto Hall cuántico fraccionario. En estos materiales la unidad de carga más pequeña no es el electrón, sino una fracción del electrón. Se ha observado que los electrones en el material se rompen en trozos, unas cuasipartículas de carga fraccionaria. Estas cuasipartículas exóticas tienen propiedades cuánticas muy curiosas que han sido demostradas experimentalmente. El material ideal para observar dichas propiedades y utilizarlas en aplicaciones es el grafeno.

El descubrimiento de que en el grafeno también se puede observar el efecto Hall cuántico fraccionario a temperaturas altas (aunque todavía no a temperatura ambiente, ya que se ha podido observar sólo a 20 K), es un gran avance (es una temperatura 100 veces superior a la de otros materiales). El dispositivo utilizado requiere suspender una tira de grafeno de unas pocas micras entre dos contactos de forma que los efectos del substrato no impidan observar el efecto Hall cuántico fraccionario. El resultado ha sido la observación de cuasipartículas con una carga de 1/3 la carga del electrón. Ahora los investigadores tendrán que caracterizar las funciones de onda de estas cuasipartículas y comprobar si corresponden a lo predicho para la teoría en función de la ecuación de Dirac para los electrones. Una posibilidad es aprovechar que el grafeno es plano para utilizar el microscopio de efecto túnel y visualizar dichas funciones de onda de carga fraccionaria directamente.

Por ahora las aplicaciones de este descubrimiento se limitarán al campo teórico, donde muchas cosas quedan aún por corroborar y descubrir en este interesante campo científico. Las aplicaciones prácticas que podrán tener estos descubrimientos son ahora difíciles de imaginar, pero haberlas las habrá.

Tan fácil como tocar y pegar o cómo depositar capas monoatómicas de grafeno sobre silicio y óxido de silicio utilizando cobre

Finas capas monoatómicas de grafeno depositadas químicamente sobre cobre (tras el primer minuto). (C) Science

Finas capas monoatómicas de grafeno depositadas químicamente sobre cobre (tras el primer minuto). (C) Science

El grafeno es fácil de fabricar, basta “rascar” grafito de la mina de un lápiz. Otro asunto muy distinto es depositar una capa monoatómica de grafeno sobre un substrato. Muchos grupos de investigación están trabajando en técnicas de deposición de grafeno sobre obleas de silicio. Los avances son constantes. Hoy se publica en Science Express una técnica que permite depositar películas de grafeno de varios centímetros cuadrados sobre substratos de cobre (mediante deposición química en fase de vapor usando metano). Más del 95% del grafeno depositado es monoatómico. Estas finas películas se pueden transferir a un substrato de Si/SiO2 por contacto directo. Tan fácil como contarlo. La gran ventaja del grafeno es su altísima velocidad. Con la nueva técnica los electrones en el grafeno alcanzan una mobilidad de hasta 4300 cm2V-1s-1 a temperatura ambiente. El avance lo han obtenido físicos tejanos. El artículo técnico es Xuesong Li et al. “Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils,” Science Express, Published Online May 7, 2009 . Muchos se han hecho eco del mismo, como “Faster Computers, Electronic Devices Possible After Scientists Create Large-area Graphene On Copper,” ScienceDaily, May 7, 2009 , o “Lage-area graphene films on copper step towards faster computers,” Nanowerk News, May 7, 2009 .  

Rod (Rodney S.) Ruoff, coautor del artículo, nos recuerda que “el grafeno permitirá ordenadores más rápidos, con un menor consumo, nuevas células solares fotovoltaicas para producción de electricidad, nuevos dispositivos de comunicaciones de muy alta frecuencia, y nuevas tecnologías para pantallas planas de TV.” Rod se ha quedado sin aire. El grafeno sirve para todo, pero su mayor ventaja ya la contamos en este blog, se pega muy bien sobre silicio u óxido de silicio, materiales ampliamente utilizados en la industria microelectrónica actual. El grafeno es el paso intermedio ideal hacia la nanoelectrónica: capas monoatómicas (de menos de un nanómetro de espesor) trabajando de la mano con dispositivos y estructuras semiconductoras convencionales (con la tecnología de 0.12 micras son estructuras 250 veces más gruesas).

Dibujo20090507_graphene_nanoribbon_FET_transistorYa se fabrican en laboratorio transistores de efecto de campo (tipo FET) que utilizan grafeno. Todo sería más fácil si se pudiera dopar el grafeno como se hace con el silicio para obtener materiales semiconductores dadores (tipo n) y aceptores (tipo p) de electrones. Ya se sabía que las nanotiras de grafeno (de sólo unas decenas de nanómetros de anchura) a temperatura ambiente adsorben (se adhieren) moléculas aceptoras de electrones (tipo p). Hoy se publica en Science un artículo que muestra que al calentar estas nanotiras de grafeno en una atmósfera con amoniaco, el nitrógeno se incorpora al grafeno (pegándose literalmente a su borde) convirtiéndolo en un material dador de electrones (tipo n). Moléculas que se pegan a los bordes de la nanotira de grafeno y que alteran sus propiedades. Más aún, de esta forma se pueden obtener grafeno (dopado) tipo p y tipo n de una manera sencilla y efectiva, lo que facilitará el desarrollo de nuevos tipos de transistores y dispositivos nanoelectrónicos. La ciencia y técnica del grafeno avanzando a pasos agigantados. Lo que está de moda, ya se sabe, está de moda. El artículo técnico es Xinran Wang et al. “N-Doping of Graphene Through Electrothermal Reactions with Ammonia,” Science, 324: 768-771, 8 May 2009 .

Más sobre grafeno en este blog:

La meteórica carrera de Tomás Palacios y el transistor de grafeno ultrarrápido (Publicado por emulenews en Mayo 4, 2009)

Nanotransistores con canal de nanotubos para los ordenadores del futuro (Publicado por emulenews en Mayo 29, 2008)

El grafeno, la panacea de la nanoelectrónica (Publicado por emulenews en Marzo 27, 2009)

Desenrollando nanotubos de carbono multicapa en nanoláminas de grafeno (o cuando una imagen vale más que mil palabras) (Publicado por emulenews en Abril 16, 2009)

La meteórica carrera de Tomás Palacios y el transistor de grafeno ultrarrápido

dibujo20090504_tomas_palacios_mitEn España la fuga de cerebros sigue siendo una realidad. Aunque nos pese. El mejor ejemplo reciente es Tomás Palacios (el CiberPaís le ha dedicado una entrevista a toda  página). En España hubiera sido imposible, absolutamente imposible, que un joven (casi un niño) ingeniero de telecomunicaciones (acabó la carrera en 2001) haya obtenido la tesis doctoral y sea investigador principal de un grupo con 5 estudiantes de doctorado, 1 postdoc y hasta secretaria (según la web, en El País pone que son 12), atesorando más de 70 artículos en revistas internacionales y congresos internacionales. 

Posiblemente Tomás lo supiera y por eso se fue a la Universidad de California – Santa Barbara (UCSB) a estudiar Ingeniería Eléctrica, cuyo M.S. acabó en 2004. Siendo ingeniero estudiar de nuevo una ingeniería parece una tontería. Pero claro, siendo ya ingeniero la nueva ingeniería se estudia de manera diferente. Por ello en 2006 ya era Doctor en Ingeniería Eléctrica pora la UCSB. Y en EEUU está mal vista la endogamia, al contrario que en España. Así que Tomás se fue a, posiblemente, la mejor universidad tecnológica del mundo, el M.I.T. (Instituto Tecnológico de Massachusetts) como Assistant Professor (lo que en España sería similar a un Profesor Contratado Doctor). ¡Increíble! Se lo merece. ¡Bravo por Tomás!

Ya apuntaba buenas maneras siendo estudiante. En 1997 empezó a colaborar con el Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología de la Universidad Politécnica de Madrid, donde seguramente le recomendarían que se fuera fuera de España. Y se fue, antes de acabar teleco, estuvo en 2000, en el Grupo de Microelectrónica del mismísimo CERN, en Génova. Así que cuando emigró a EEUU para estudiar un M.S. en UCSB se incorporó a un grupo de investigación, en concreto el del Prof. Mishra, nada más empezar, no está nada mal. Una carrera meteórica, sin lugar a dudas.

Tomás ha ganado muchos premios, pero destacaré sólo uno el Premio Salvà i Campillo, Nit de las Telecomunicacions, de 2003 con su trabajo “Desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos basados en nitruros” (premiado en la categoría de ingeniero novel).

Volviendo al grano, en el CiberPaís, Laia Reventós (30/04/2009) nos titula “Llega el ‘chip’ de grafeno,” y nos aclara

“El español Tomás Palacios, profesor del MIT, consigue fabricar transistores de grafeno 10 veces más rápidos que los de silicio. Los ‘chips’ del revolucionario material, de un átomo de espesor, podrían alcanzar velocidades de mil GHz.”

dibujo20090504_nanotube_graphene_google_trends_analyticsYa hemos hablado en este blog del grafeno, descubierto en 2004. Hace menos de 1 año se ha convertido en sustituto aclamado por todos para el silicio, ya que los nanotubos de carbono no lo han logrado (no es fácil “pegar” nanotubos y silicio o arseniuro de galio, pero es muy fácil hacerlo con grafeno). Una sola capa atómica de carbono con propiedades entre semiconductor y metal que permite desarrollar dispositivos microelectrónicos como transistores. Hace un lustro, pura ciencia ficción.

El logro estrella de nuestro compatriota Tomás Palacios ha sido la fabricación de transistores de efecto de campo de grafeno (el transistor G-FET o  Graphene Field-Effect Transistor, donde se utiliza grafeno como drenador). Para los que no sepan los que un transistor FET la wiki es una ayuda. ¿Qué ventaja tiene el grafeno? Como el grafeno es una capa monoatómica, los electrones tienen un altísima movilidad, lo que permite obtener un transistor ultrarrápido. Con el silicio se logran unos 100 GHz de velocidad, valor que se mejora con arseniuro de galio y otras tierras raras, pero “pegando” mal con el silicio. Usando transistores de grafeno se alcanzá un terahercio (1 THz) “pegando” estupendamente con silicio. El artículo técnico es H. Wang, D. Nezich, J. Kong, T. Palacios, “Graphene Frequency Multipliers,” IEEE Electron Device Letters 30: 547-549, May 2009 . Para los que sois ingenieros de telecomunicaciones o electrónicos, el artículo merece que os molestéis en leerlo: la idea es extremadamente simple. La genialidad de Tomás queda demostrada… un artículo que cualquiera puede entender… un trabajo que cualquiera puede imitar… pero él ha sido el primero.

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¿Qué aplicaciones tendrá el trabajo de Tomás? Muchas, por ejemplo, multiplicadores de frecuencia para comunicaciones inalámbricas. ¿Qué aplicaciones tendrá la microelectrónica con grafeno? Infinitas. Bueno, nadie lo sabe realmente, pero muchas veces claman a que la microelectrónica con silicio y grafeno será la que permitirá la transición hasta la futura nanoelectrónica (posiblemente sólo con carbono, sea grafeno, grafano, nanotubos de carbono u otra maravilla “carbónica” por descubrir).

En palabras del propio Tomás “El grafeno es un material increíble. No sólo revoluciona la electrónica, la informática y las comunicaciones, sino que está cambiando la manera en la que se estudia la física”.

¿Será Tomás Palacios el primer Nobel de Física para un español? Es pronto para saberlo, pero con su juventud y buenas ideas se convertirá en uno de los grandes “cerebros” españoles fugados. A mí el caso de Tomás Palacios me recuerda mucho al de Wolfgang Ketterle (también en MIT), valgan las distancias, claro está. ¿Quién es Ketterle? ¿De verdad me lo preguntas? Busca en la wiki. Bueno, no seré malo, sólo es un alemán que emigró a EEUU con su mujer y dos niños (siendo ya con 30 años catedrático en Alemania), cambió radicalmente de tema de investigación y ahora es Premio Nobel de Física. Pecata minuta. 

Otras entradas en este blog relacionadas con ésta:

Nanotransistores con canal de nanotubos para los ordenadores del futuro(Publicado por emulenews en Mayo 29, 2008).

El grafeno, la panacea de la nanoelectrónica (Publicado por emulenews en Marzo 27, 2009).

Desenrollando nanotubos de carbono multicapa en nanoláminas de grafeno (o cuando una imagen vale más que mil palabras) (Publicado por emulenews en Abril 16, 2009).