(PhysOrg.com) - En la novela del siglo XIX, Tierra plana, por Edward A. Abbott, los residentes de ese país ficticio existen sólo en dos dimensiones. Las mujeres nacen como segmentos de línea, mientras que los hombres vienen en una variedad de formas geométricas que reflejan su rango, de los triángulos isósceles humildes, a plazas de clase media, a hexágonos de seis lados, reservado para la nobleza.

Las limitaciones de la vida en un plano plano reflejan satíricamente la rígida estructura de clases victoriana de la época de Abbott. Cuando el narrador de la historia descubre una tercera dimensión, altura, trata de comunicar este concepto liberador a los habitantes de Flatlan, y termina en la cárcel.

Grafeno una versión real de Flatland, Consiste en una fila tras otra de anillos hexagonales de átomos de carbono encajados juntos en un patrón de panal plano de solo un átomo de espesor.

Esta escala atómica hace que el grafeno forme parte del nanomundo, donde los objetos mil veces más delgados que un cabello humano ya no siguen leyes naturales conocidas como la fricción y la gravedad.

Así como el narrador de Flatland se eleva por encima de su existencia restringida para experimentar la vida en otra dimensión, Los objetos en la nanoescala obedecen a un nuevo conjunto de reglas:las leyes "espeluznantes" de la mecánica cuántica.

Peculiaridades cuánticas

Uno de los efectos mecánicos cuánticos más emocionantes del grafeno es la alta velocidad a la que los electrones pueden fluir a través de él debido a la falta de fricción. Este transporte llamado "balístico" podría conducir a una nueva generación de superrápidos, Electrónica súper eficiente.

Además, por su tamaño, el grafeno es más fuerte y más flexible que el acero. Conduce el calor 10 veces más rápido que el cobre y puede transportar 1, 000 veces la densidad de la corriente eléctrica como los cables de cobre.

De hecho, La estructura del grafeno le da muchas ópticas únicas, térmico, propiedades mecánicas y eléctricas, emocionantes ingenieros y científicos de todo el mundo con grandes posibilidades nuevas para todo tipo de aplicaciones.

Grafeno creciente

El grafeno fue descubierto por científicos de principios del siglo XX que examinaban el grafito común mediante espectroscopia de rayos X. Aunque pudieron decir que el grafito estaba compuesto por una pila de capas de grafeno individuales, nadie vio ningún uso para estas capas ultrafinas en ese momento.

En la década de 1990, los científicos aprendieron a fabricar nanotubos de carbono (CNT), que son diminutos, tubos enrollados de átomos de carbono dispuestos en el mismo patrón hexagonal de alambre de gallinero que el grafeno.

No fue hasta 2004 que los científicos midieron las propiedades electrónicas de las capas delgadas de grafeno después de separar las escamas de mina de grafito con cinta transparente. Pero este tedioso método de crear grafeno nunca funcionaría para un producto comercialmente viable.

Superando al silicio

Mientras tanto, Walter de Heer, científicos de Georgia Tech, Claire Berger (también afiliada a CNRS, Francia) y Phillip First habían estado trabajando con CNT. Esperaban utilizar los tubos a nanoescala para acelerar la próxima generación de componentes microelectrónicos que superarían la capacidad de la electrónica de silicio.

Pero a pesar de que los CNT tenían una velocidad de transporte de electrones balísticos, eran difíciles de ensamblar en circuitos integrados.

En 2001, De Heer pensó que quizás el grafeno bidimensional también podría usarse como material electrónico, ya que es la base de los nanotubos de carbono. Ese año, presentó una propuesta de investigación a la National Science Foundation (NSF) para obtener una subvención para estudiar el uso del grafeno en la electrónica.

De Heer y su equipo tuvieron la idea de cultivar una capa plana de grafeno justo donde se usaría en un chip. y en el tamaño y la forma exactos necesarios, para que pueda preintegrarse en un dispositivo eléctrico. Esto sería mucho más fácil que producir los delicados CNT, transfiriéndolos a otro lugar, y luego conectarlos con un cable metálico a un circuito.

Primera patente de grafeno

En 2003, El equipo de Georgia Tech fue el primero en presentar una patente para un proceso de fabricación de dispositivos electrónicos simples utilizando grafeno producido epitaxialmente (epitaxial significa hacer crecer una capa de una sustancia sobre otro material para que ambos materiales tengan la misma orientación estructural).

El método básico del equipo fue calentar una oblea cristalina de carburo de silicio (SiC) a altas temperaturas (superiores a 1100 C). A esa temperatura los átomos de silicio se evaporaron de la superficie dejando solo átomos de carbono, que se reorganizaron en el patrón familiar de alambre de gallinero del grafeno.

El grafeno epitaxial se puede cultivar sobre diferentes materiales de soporte, dependiendo de para qué se utilizará. Una gran ventaja del grafeno epitaxial es que utiliza los mismos tipos de procesos químicos que los desarrolladores ya utilizan para fabricar componentes electrónicos basados ​​en silicio.

"Es más que tener el material de grafeno, ", dijo De Heer." En realidad, se trata de tener la plataforma y las técnicas de procesamiento que se desarrollarían en paralelo ".

Desde su propuesta inicial, de Heer y su equipo, financiado por NSF a través del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de Georgia Tech (MRSEC), han recibido otras patentes y han publicado docenas de artículos de investigación sobre el grafeno epitaxial para la electrónica. En 2010, de Heer recibió la medalla MRS de la Materials Research Society por sus contribuciones pioneras a la ciencia y la tecnología del grafeno epitaxial.

El grafeno lo hace más fuerte

Las propiedades electrónicas superiores del grafeno no son su único punto fuerte. Nikhil Koratkar, profesor de mecánica, ingeniería aeroespacial y nuclear en el Instituto Politécnico Rensselaer, está utilizando láminas de grafeno para fortalecer los compuestos cerámicos para entornos difíciles como el espacio exterior.

"Estoy muy interesado en desarrollar aplicaciones prácticas de nanomateriales, como el grafeno y los nanotubos de carbono, ", dijo Koratkar." Los nanocompuestos son una de esas aplicaciones que pueden tener un gran impacto ".
Koratkar está trabajando con Erica L. Corral, profesor asistente en el departamento de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Arizona, y especialista en composites cerámicos.

Antes de que Koratkar y Corral se unieran, El grafeno se había utilizado en compuestos poliméricos, pero nunca en cerámica, para mejorar su resistencia mecánica. La cerámica se encuentra entre los materiales más resistentes a las altas temperaturas del mundo, pero tienden a ser muy frágiles.

Previniendo grietas

En la búsqueda de algo para agregar a los compuestos cerámicos que evite el agrietamiento, los científicos eligieron el grafeno por su resistencia mecánica, superficie y geometría. "El grafeno muestra una rigidez y una resistencia notables, "Dijo Koratkar." Y aunque solo tiene un grosor de nanómetros, se presenta en láminas lo suficientemente grandes para envolver y anclar de forma segura alrededor de los granos de cerámica durante el proceso de sinterización utilizado para fabricar cerámica ".

Los resultados de la investigación de Koratkar y Corral fueron alentadores. "Hemos demostrado que el grafeno puede endurecer las cerámicas de nitruro de silicio en más del 200 por ciento, ", dijo." La razón de este endurecimiento es que las láminas de grafeno bidimensionales son capaces de desviar las grietas que se propagan no sólo en dos sino en tres dimensiones ".

Koratkar y Corral, apoyado por subvenciones de NSF, Continuará explorando el uso del grafeno en otros tipos de cerámicas y estudiando el rendimiento del compuesto con mayores porcentajes de grafeno.

"El futuro del grafeno en la cerámica debería resultar en un nuevo campo de investigación de materiales y sistemas compuestos que sea mucho más avanzado que los sistemas de refuerzo unidimensionales que hemos utilizado hasta la fecha". "dijo Corral.

Graficando la industria del grafeno

Con tanta investigación sobre grafeno en una multitud de industrias, es difícil hacer un seguimiento. Pero Jan Youtie, científico social e investigador asociado principal del Instituto de Innovación Empresarial de Georgia Tech, junto con su colega Philip Shapira, profesor de la Escuela de Políticas Públicas de Georgia Tech y de la Universidad de Manchester, están haciendo precisamente eso.

Los investigadores utilizan un proceso llamado "evaluación de tecnología en tiempo real" (RTTA) para comprender los aspectos sociales, moral, dinámica política y económica de la industria de la nanotecnología, incluido el grafeno. Para hacer esto, recopilan todas las solicitudes de patentes y todos los artículos científicos que cubren el grafeno en una base de datos.

"El grafeno ha experimentado una trayectoria empinada en términos de resultados de investigación y descubrimientos, ", Dijo Youtie." Esta trayectoria es incluso más temprana y más empinada de lo que hemos visto con respecto a otras nanotecnologías ".

La investigación de Youtie y Shapira está financiada por NSF a través del Centro de Nanotecnología en la Sociedad de la Universidad Estatal de Arizona (CNS-ASU), que unifica los programas de investigación en varias universidades. Han descubierto que Atlanta, donde se encuentra Georgia Tech, es uno de los principales nodos de investigación del grafeno en el mundo, basado en el número total de publicaciones.

Grafeno global

"Hay casi 200 empresas, incluidas grandes corporaciones multinacionales y pequeñas empresas de nueva creación que se han involucrado en el dominio del grafeno, Youtie dijo:"Esto significa que se están considerando nuevas aplicaciones mientras la investigación aún se está llevando a cabo".

Solo en el último año Youtie ha registrado patentes que utilizan grafeno en una batería de combustible de alcohol, Relleno de polvo de baquelita ™, transistores monocristalinos orgánicos, sistemas de liberación controlada de fármacos, células solares sensibilizadas con colorante, teñido de aguas residuales, compuestos de película delgada / compuestos conductores / compuestos de polímeros / compuestos de plástico y madera, tablero de fibra resistente al agua, espuma metálica, material del cátodo de la batería, impresión y una batería de combustible de membrana de intercambio de protones.

"Existe una participación global en la investigación y comercialización del grafeno, y las principales empresas son grandes corporaciones de Corea y Japón, con empresas estadounidenses presentes pero no tan frecuentes, "Dijo Youtie." La internacionalización en este dominio refleja la trascendencia de la nanotecnología en general a través de las fronteras nacionales ".