En el impulso de miniaturizar la electrónica, los solenoides se han vuelto demasiado grandes, dicen los científicos de la Universidad de Rice que descubrieron que el componente esencial se puede reducir a un tamaño nanométrico con un rendimiento a escala macro.

El secreto está en una forma espiral de grafeno delgado como un átomo que, notablemente, se puede encontrar en la naturaleza, según el físico teórico de Rice Boris Yakobson y sus colegas.

"Generalmente, determinamos las características de los materiales que creemos que podrían ser posibles de fabricar, pero esta vez estamos viendo una configuración que ya existe, ", Dijo Yakobson." Estas espirales, o dislocaciones de tornillos, se forman naturalmente en el grafito durante su crecimiento, incluso en carbón común ".

Los investigadores determinaron que cuando se aplica un voltaje, la corriente fluirá alrededor de la trayectoria helicoidal y producirá un campo magnético, como lo hace en macro inductor-solenoides. El descubrimiento se detalla en un nuevo artículo de la revista American Chemical Society. Nano letras .

"Se puede comparar la estructura con un estacionamiento de gran altura para los electrones, pero sin espacios de estacionamiento, para que los electrones atraviesen "Dijo Yakobson." O se puede decir que se parece al tornillo de Arquímedes, que gira para bombear agua cuesta arriba, pero en cambio está lleno de electricidad.

"Quizás esto podría funcionar a la inversa aquí:una corriente de electrones, bombeado por el voltaje aplicado, en determinadas condiciones puede hacer que la espiral de grafeno gire, como una pequeña turbina eléctrica rápida, " él dijo.

Los solenoides son cables enrollados alrededor de un núcleo metálico. Producen un campo magnético cuando transportan corriente, convirtiéndolos en electroimanes. Estos están muy extendidos en dispositivos electrónicos y mecánicos, desde placas de circuitos hasta transformadores y automóviles. También sirven como inductores, componentes primarios en circuitos eléctricos que regulan la corriente, y en su forma más pequeña forman parte de circuitos integrados. (El bulto en los cables de alimentación que alimentan los dispositivos electrónicos contiene inductores).

Mientras que los transistores se hacen cada vez más pequeños, los inductores básicos en electrónica se han vuelto relativamente voluminosos, dijo Fangbo Xu, un alumno de Rice y autor principal del artículo. "Es lo mismo dentro de los circuitos, ", dijo." Los inductores en espiral comerciales de silicio ocupan un área excesiva. Si se da cuenta, Los nano-solenoides de grafeno podrían cambiar eso ".

Los nano-solenoides analizados a través de modelos de computadora en Rice deberían ser capaces de producir campos magnéticos poderosos de aproximadamente 1 tesla, aproximadamente igual que las bobinas que se encuentran en los altavoces típicos, según Yakobson y su equipo. Descubrieron que el campo magnético sería más fuerte en el hueco, cavidad de nanómetros de ancho en el centro de la espiral.

La forma de espiral es atribuible a un simple truco topológico, él dijo. El grafeno está hecho de matrices hexagonales de átomos de carbono. Los hexágonos mal formados conocidos como dislocaciones a lo largo de un borde obligan al grafeno a girar sobre sí mismo, similar a una nanocinta continua que imita una construcción matemática conocida como superficie de Riemann.

Los investigadores demostraron teóricamente cómo fluiría la energía a través de los hexágonos en nano-solenoides con bordes en formaciones de sillón o en zigzag. En un caso, determinaron que el rendimiento de un inductor en espiral convencional de 205 micrones de diámetro podría equipararse con un nano-solenoide de 70 nanómetros de ancho, casi 10, 000, 000 veces más pequeño.

Debido a que el grafeno no tiene banda prohibida de energía (lo que le da a un material propiedades semiconductoras), la electricidad debe circular sin barreras. Pero, de hecho, el ancho de la espiral y la configuración de los bordes, ya sea sillón o zigzag, influye en cómo se distribuye la corriente, y por tanto sus propiedades inductivas.

Los investigadores sugirieron que debería ser posible aislar las dislocaciones de los tornillos de grafeno de los cristales de carbono grafítico (grafeno a granel), pero hacer que las hojas de grafeno crezcan en espiral permitiría un mejor control de sus propiedades, Dijo Yakobson.

Los nano-solenoides sugeridos por Xu también pueden ser útiles como relés moleculares o trampas intercambiables para moléculas magnéticas o radicales en sondas químicas.