El MIT descubre una nueva propiedad del grafeno

Un equipo de físicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) ha descubierto una propiedad del grafeno que podría transformar el mundo de la superconductividad y el magnetismo, abriendo las puertas al desarrollo de dispositivos electrónicos más eficientes y rápidos, nuevos tipos de sensores extremadamente sensibles, o incluso la posibilidad de computadoras cuánticas basadas en el grafeno.

El descubrimiento refleja la destreza de manipular la materia a una escala casi atómica, siendo no solo un testimonio de la inventiva humana, sino que también señala un nuevo horizonte para la ciencia de materiales.

Al aislar cinco hojas de grafeno y apilarlas en un orden específico, los investigadores del MIT han creado un material con propiedades que desafían las características naturales del conocido material.

Comencemos entendiendo mejor lo que es el grafito, un alótropo del carbono que se presenta en la naturaleza con una estructura cristalina hexagonal con una serie de propiedades físicas notables.

Está compuesto por capas de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal, cada capa es conocida como grafeno.

Estas capas se mantienen unidas por débiles fuerzas de Van der Waals, permitiendo que se deslicen unas sobre otras, lo que explica la lubricidad del grafito.

Esta disposición enlazada de sus átomos le otorga una alta conductividad eléctrica en el plano de las capas, pero una conductividad mucho menor en la dirección perpendicular.

Aislado por primera vez en 2004, el grafeno es esencialmente una única hoja de átomos de carbono del grafito, con un grosor de un solo átomo.

Esta bidimensionalidad confiere al grafeno un conjunto de propiedades excepcionales.

Es extremadamente fuerte, siendo unas 200 veces más resistente que el acero, y al mismo tiempo es notablemente ligero.

Es también uno de los materiales más flexibles conocidos, capaz de estirarse hasta un 20% de su tamaño original sin romperse.

Su conductividad térmica y eléctrica es sobresaliente, superando incluso a los metales tradicionalmente conocidos por estas características, como el cobre.

Durante los últimos años ha inspirado una avalancha de investigación y desarrollo, con aplicaciones que abarcan desde la electrónica flexible y pantallas táctiles hasta composites avanzados para la industria aeroespacial y biomateriales para aplicaciones médicas.

El impacto del grafeno y materiales relacionados ha sido tan significativo que el Premio Nobel de Física 2010 fue otorgado por el aislamiento del grafeno.

El concepto de “twistronics” se origina del término “twist”, que significa giro, y hace referencia a la manipulación del ángulo relativo entre capas de materiales bidimensionales, como el grafeno.

Esta técnica ha revolucionado la investigación de materiales al permitir el control de las propiedades electrónicas a través del ajuste preciso del ángulo de torsión entre capas superpuestas de grafeno.

La “magia” del twistronics reside en la capacidad de alterar los estados electrónicos y las interacciones entre ellos, simplemente cambiando el ángulo entre las capas de grafeno, sin alterar la composición química del material.

De esta forma se han hecho varios descubrimientos.

Uno de ellos es el hecho de que al ajustar las capas a aproximadamente 1.1 grados, el sistema puede comportarse como un superconductor, es decir, conducir electricidad sin resistencia.

Este fenómeno fue sorprendente porque el grafeno, en su forma aislada, no es un superconductor.

Otro avance notable es el descubrimiento de estados de aislamiento de Mott en sistemas de grafeno girados, donde, a pesar de la presencia de portadores de carga, el material actúa como un aislante debido a las fuertes interacciones entre los electrones.

Los avances en este sentido no solo son fascinantes para los físicos teóricos; también tienen implicaciones prácticas potenciales.

Por ejemplo, la capacidad de inducir y controlar la superconductividad en materiales bidimensionales podría ser revolucionaria para la tecnología de la información cuántica y la criptografía.

Por otro lado, los materiales con propiedades ajustables podrían ser clave en el desarrollo de sensores avanzados, dispositivos fotónicos y sistemas de almacenamiento de energía más eficientes.

Y así llegamos al reciente descubrimiento, donde científicos han logrado propiciar propiedades electrónicas notables sin recurrir a la torsión de las capas de grafeno.

En particular, se ha centrado la atención en el apilamiento en forma romboédrica de cinco capas de grafeno, lo que demuestra que la manipulación de la estructura de apilamiento en sí puede ser tan poderosa como la torsión en la modificación de las propiedades electrónicas.

Apilando, en lugar de girando, ha ocurrido el fenómeno de correlación electrónica, de forma que la interacción entre electrones es tan fuerte que no pueden ser descritos como partículas independientes.

En el grafeno se ha magnificado este fenómeno debido a su particular disposición de los átomos y los orbitales electrónicos.

Este descubrimiento tiene un potencial inmenso en la electrónica y la espintrónica, ya que los materiales con altas correlaciones electrónicas pueden ser empleados para desarrollar dispositivos que requieren una alta eficiencia energética o para crear sistemas que exhiben propiedades de cambio rápido, como la memoria resistiva para la informática de próxima generación.

El MIT ha usado el microscopio s-SNOM (scattering-type Scanning Near-field Optical Microscope), dispositivo con una tecnología innovadora que representa un avance significativo en la capacidad de los investigadores para observar y caracterizar materiales a nivel nanométrico.

El s-SNOM aprovecha la interacción entre la luz y las nanoestructuras superficiales para superar los límites de resolución impuestos por los microscopios ópticos tradicionales, que están restringidos por el principio de difracción.

En este caso han aprovechado la capacidad del microscopio s-SNOM para identificar el orden de apilamiento romboédrico del grafeno, siendo así posible visualizar y confirmar la presencia de las propiedades antes descritas.

El uso del s-SNOM ha abierto nuevas vías en la investigación de materiales bidimensionales y heteroestructuras complejas.

Su aplicación ha sido esencial no solo en la identificación de estructuras de apilamiento, sino también en la comprensión de fenómenos físicos como el aislamiento debido a la interacción fuerte entre electrones y la posibilidad de superconductividad no convencional.

Fuente: Nature