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  • El grafeno no es el único Lego en la caja de juguetes de ciencia de materiales

    La ciencia de los materiales tiene muchas opciones para la construcción. Crédito:dolske / flickr, CC BY-SA

    Es posible que haya oído hablar del grafeno, una hoja de carbono puro, un átomo de espesor, eso es lo que está de moda en los círculos de ciencia de materiales, y también recibiendo mucha publicidad en los medios. Los informes han proclamado el grafeno como un ultrafino, Super fuerte, superconductor, material superflexible. Se le podría disculpar por pensar que incluso podría salvar a toda la humanidad de una perdición segura.

    No exactamente. En el mundo actual de la nanoelectrónica, hay mucho más que solo grafeno. Uno de los materiales con los que trabajo, disulfuro de molibdeno (MoS₂), es un material monocapa con propiedades interesantes más allá de las del grafeno. MoS₂ puede absorber cinco veces más luz visible que el grafeno, haciéndolo útil en detectores de luz y células solares. Además, Incluso materiales más nuevos como el borofeno (un material de una capa hecho de átomos de boro que se proyecta que sea mecánicamente más fuerte que el grafeno) se proponen y sintetizan todos los días.

    Estos y otros materiales aún por descubrir se utilizarán como piezas de Lego para construir la electrónica del futuro. Al apilar varios materiales de diferentes formas, podemos aprovechar diferentes propiedades en cada uno de ellos. La nueva electrónica construida con estas estructuras combinadas será más rápida, menor, más resistente al medio ambiente y más barato que lo que tenemos ahora.

    Buscando una brecha energética

    Hay una razón clave por la que el grafeno no será el material polivalente y versátil que la publicidad podría sugerir. No puede simplemente apilar grafeno repetidamente para obtener lo que desea. La propiedad electrónica que evita esto es la falta de lo que se denomina "brecha de energía". (El término más técnico es "banda prohibida").

    Los metales conducirán la electricidad a través de ellos independientemente del entorno. Sin embargo, cualquier otro material que no sea un metal necesita un pequeño impulso de energía desde el exterior para que los electrones se muevan a través de la banda prohibida y pasen al estado de conducción. La cantidad de impulso que necesita el material se llama brecha de energía. La brecha de energía es uno de los factores que determina la cantidad de energía total que se debe poner en todo su dispositivo eléctrico. ya sea por calor o por voltaje eléctrico aplicado, para que conduzca la electricidad. Básicamente, debe poner suficiente energía de arranque si desea que su dispositivo funcione.

    Algunos materiales tienen un espacio tan grande que casi ninguna cantidad de energía puede hacer que los electrones fluyan a través de ellos. Estos materiales se denominan aislantes (piense en vidrio). Otros materiales tienen un espacio extremadamente pequeño o ningún espacio. Estos materiales se llaman metales (piense en el cobre). Es por eso que usamos cobre (un metal con conductividad instantánea) para el cableado, mientras que utilizamos plásticos (un aislante que bloquea la electricidad) como revestimiento exterior protector.

    Cómo se ve la brecha energética. Crédito:Peter Byrley

    Todo lo demas, con espacios entre estos dos extremos, se llama semiconductor (piense en el silicio). Semiconductores, a la temperatura teórica del cero absoluto, se comportan como aislantes porque no tienen energía térmica para llevar sus electrones al estado conductor. A temperatura ambiente, sin embargo, El calor del entorno circundante proporciona la energía suficiente para obtener algunos electrones (de ahí el término, "semi" -conductora) sobre la banda prohibida pequeña y en el estado de conducción listo para conducir la electricidad.

    Brecha energética del grafeno

    El grafeno es de hecho un semi-metal. No tiene brecha de energía, lo que significa que siempre conducirá electricidad, no puede apagar su conductividad.

    Este es un problema porque los dispositivos electrónicos utilizan corriente eléctrica para comunicarse. En su nivel más fundamental, las computadoras se comunican enviando 1 y 0, señales de encendido y apagado. Si los componentes de una computadora estuvieran hechos de grafeno, el sistema siempre estaría encendido, En todas partes. No podría realizar tareas porque su falta de brecha de energía evita que el grafeno se convierta en cero; la computadora seguiría leyendo 1 todo el tiempo. Semiconductores, por el contrario, tienen una brecha de energía que es lo suficientemente pequeña como para permitir que algunos electrones conduzcan electricidad, pero es lo suficientemente grande como para tener una clara distinción entre estados de encendido y apagado.

    Encontrar los materiales adecuados

    No toda la esperanza esta perdida sin embargo. Los investigadores están buscando tres formas principales de abordar esto:

    Utilizar nuevos materiales similares al grafeno que en realidad tengan una brecha de energía suficiente y encontrar formas de mejorar aún más su conductividad. Modificar el grafeno para crear esta brecha de energía. Combinar grafeno con otros materiales para optimizar sus propiedades combinadas.

    Comparando la banda prohibida en los metales (izquierda), semiconductores (centro) y aislantes (derecha). Crédito:Peter Byrley

    Actualmente se están analizando muchos materiales de una capa que en realidad tienen una brecha de energía suficiente. Uno de esos materiales, MoS₂, se ha estudiado en los últimos años como un posible sustituto del silicio tradicional y también como detector de luz y sensor de gas.

    El único inconveniente de estos otros materiales es que, hasta ahora, no hemos encontrado uno que coincida con la conductividad excelente, aunque siempre activa, del grafeno. Los otros materiales se pueden apagar, pero cuando está encendido no son tan buenos como el grafeno. Se estima que el propio MoS₂ tiene entre 1/15 y 1/10 de la conductividad del grafeno en dispositivos pequeños. Investigadores incluyéndome a mí, ahora están buscando formas de alterar estos materiales para aumentar su conductividad.

    Usando grafeno como ingrediente

    Extrañamente, una brecha de energía en el grafeno en realidad se puede inducir a través de modificaciones como doblarlo, convirtiéndolo en una nanocinta, insertando productos químicos extraños en él o usando dos capas de grafeno. Pero cada una de estas modificaciones puede reducir la conductividad del grafeno o limitar su uso.

    Para evitar configuraciones especializadas, podríamos simplemente combinar el grafeno con otros materiales. Al hacer esto, también estamos combinando las propiedades de los materiales para obtener los mejores beneficios. Pudimos, por ejemplo, Invente nuevos componentes electrónicos que tengan un material que les permita apagarse o encenderse (como MoS₂) pero que tengan la gran conductividad del grafeno cuando se encienden. Nuevas células solares trabajarán en este concepto.

    Una estructura combinada podría, por ejemplo, ser un panel solar hecho para entornos hostiles:podríamos poner una capa delgada, material protector transparente sobre la parte superior de un material colector solar muy eficiente, que a su vez podría estar encima de un material que sea excelente para conducir la electricidad a una batería cercana. Otras capas intermedias podrían incluir materiales que sean buenos para detectar selectivamente gases como el metano o el dióxido de carbono.

    Los investigadores ahora están compitiendo para descubrir cuál es la mejor combinación para diferentes aplicaciones. Quien encuentre la mejor combinación eventualmente obtendrá numerosos derechos de patentes para productos electrónicos mejorados.

    La verdad es, aunque, no sabemos cómo será nuestra electrónica futura. Todo el tiempo se inventan nuevas piezas de Lego; las formas en que las apilamos o las reorganizamos cambian constantemente, también. Todo lo que es seguro es que el interior de los dispositivos electrónicos se verá drásticamente diferente en el futuro de lo que es hoy.

    Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.




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