El grafeno ha sido llamado un material maravilloso, capaz de realizar grandes e inusuales acrobacias materiales. Los nanotubos de nitruro de boro tampoco son holgazanes en el ámbito de los materiales, y puede diseñarse para aplicaciones físicas y biológicas. Sin embargo, en su propia, estos materiales son terribles para su uso en el mundo de la electrónica. Como director, el grafeno permite que los electrones se disparen demasiado rápido (no hay forma de controlarlos ni detenerlos), mientras que los nanotubos de nitruro de boro son tan aislantes que los electrones son rechazados como un perro demasiado ansioso que golpea la puerta del patio.

Pero juntos estos dos materiales hacen un interruptor digital viable, que es la base para controlar los electrones en las computadoras, Los telefonos, equipos médicos y otros aparatos electrónicos.

Yugo Khin Yap, profesor de física en la Universidad Tecnológica de Michigan, ha trabajado con un equipo de investigación que creó estos interruptores digitales combinando grafeno y nanotubos de nitruro de boro. El periódico Informes científicos publicó recientemente su trabajo.

"La pregunta es:¿Cómo fusionas estos dos materiales?" Yap dice. La clave está en maximizar sus estructuras químicas existentes y explotar sus características incompatibles.

Ajustes a nanoescala

El grafeno es una lámina de átomos de carbono con un grosor de molécula; los nanotubos son como pajitas hechas de boro y nitrógeno. Yap y su equipo exfolian el grafeno y modifican la superficie del material con pequeños agujeros. Entonces pueden hacer crecer los nanotubos hacia arriba y a través de los poros. Enredados juntos de esta manera, el material parece un copo de corteza que brota erráticamente, pelos finos.

"Cuando juntamos a estos dos alienígenas, creamos algo mejor, "Yap dice, explicando que es importante que los materiales tengan huecos de banda asimétricos, o diferencias en la cantidad de energía que se necesita para excitar un electrón en el material. "Cuando los juntamos, se forma un desajuste de banda prohibida, que crea una llamada 'barrera potencial' que detiene los electrones ".

El desajuste de la banda prohibida se debe a la estructura de los materiales:la hoja plana de grafeno conduce la electricidad rápidamente, y la estructura atómica de los nanotubos detiene las corrientes eléctricas. Esta disparidad crea una barrera, causado por la diferencia en el movimiento de los electrones a medida que las corrientes se mueven al lado y más allá de los nanotubos de nitruro de boro similares a pelos. Estos puntos de contacto entre los materiales, llamados heterouniones, son los que hacen posible el interruptor de encendido / apagado digital.

"Imagina que los electrones son como coches que circulan por una pista suave, "Yap dice". Dan vueltas y vueltas, pero luego llegan a una escalera y se ven obligados a detenerse ".

Yap y su equipo de investigación también han demostrado que debido a que los materiales son respectivamente tan efectivos para conducir o detener la electricidad, la relación de conmutación resultante es alta. En otras palabras, la rapidez con la que los materiales pueden encenderse y apagarse es varios órdenes de magnitud mayor que los interruptores de grafeno actuales. Sucesivamente, esta velocidad podría eventualmente acelerar el ritmo de la electrónica y la informática.

Resolviendo el dilema de los semiconductores

Para llegar a computadoras más rápidas y pequeñas algún día, Yap dice que este estudio es una continuación de investigaciones anteriores sobre la fabricación de transistores sin semiconductores. El problema con los semiconductores como el silicio es que solo pueden volverse tan pequeños, y desprenden mucho calor; el uso de grafeno y nanotubos evita esos problemas. Además, los nanotubos de grafeno y nitruro de boro tienen el mismo patrón de disposición atómica, o juego de celosía. Con sus átomos alineados, los interruptores digitales de nanotubos de grafeno podrían evitar los problemas de dispersión de electrones.

"Quieres controlar la dirección de los electrones, "Yap explica, comparando el desafío con una máquina de pinball que atrapa, ralentiza y redirige los electrones. "Esto es difícil en entornos de alta velocidad, y la dispersión de electrones reduce el número y la velocidad de los electrones ".

Al igual que un entusiasta de las recreativas, Yap dice que él y su equipo continuarán tratando de encontrar formas de burlar o cambiar la configuración del pinball del grafeno para minimizar la dispersión de electrones. Y un día, todos sus ajustes podrían hacer que las computadoras y los juegos digitales de pinball sean más rápidos para el resto de nosotros.