Grafeno y grafito: una historia de transformación desde el lápiz hasta la innovación científica

El grafito en lápiz tiene propiedades inusuales

Si no era ya prometedor en sí mismo, el grafeno se volvió aún más interesante en 2018, cuando los investigadores descubrieron que el grafeno puede pasar de aislante a superconductor en un solo movimiento, simplemente colocando una lámina de nanomaterial de carbono encima de otra lámina del mismo, y girar uno de ellos aproximadamente 1.1º con respecto al otro, medida aún no del todo comprendida, lo que le valió el sobrenombre de “ángulo mágico”.

De ello surgieron los ahora conocidos materiales 2.5D y se abrieron campos de aplicación completamente nuevos, especialmente en la “twitronics” o flexotrónica, toda una familia de componentes computacionales capaces de funcionar gracias a esta sutil angulación.

Pero parece que ni siquiera es necesario utilizar este ángulo mágico: basta con apilar cinco capas de grafeno para que surja una correlación entre los electrones del material y aparezcan propiedades inusuales.

Descubrimos que el material puede ser aislante, magnético o topológico“, dijo el profesor Long Ju, del MIT, EE.UU. “Descubrimos propiedades interesantes sin ningún giro”.

Micrografía de la pentacapa de grafito, que puede ser conductiva, magnética o topológica, dependiendo de la intensidad de la corriente eléctrica.
[Imagen: Tonghang Han et al. - 10.1038/s41565-023-01520-1]
Aislador topológico
Micrografía de la pentacapa de grafito, que puede ser conductiva, magnética o topológica, dependiendo de la intensidad de la corriente eléctrica.
[Imagen: Tonghang Han et al. – 10.1038/s41565-023-01520-1]
Aislador topológico

Ser aislante o magnético según demanda (todo depende del flujo de electrones) sería suficiente, pero ser un material topológico es aún más especial.

Esencialmente, un material topológico permite el movimiento sin obstáculos de electrones alrededor de los bordes de un material, pero no a través de su interior. Los electrones viajan en una dirección a lo largo de una “autopista” en el borde del material, separados por una mediana que constituye el centro del material. Así, el borde de un material topológico es un conductor perfecto, mientras que el centro es un aislante.

Lo más importante es que estas propiedades topológicas están intrínsecamente “protegidas” contra interferencias gracias a fenómenos fundamentales como la invariancia de inversión temporal o la simetría traslacional; en términos simples, los electrones viajarán a través del material sin ninguna interferencia, ya sea por contacto con otros materiales o incluso debido a defectos en el propio material. Por eso tienen aplicaciones que van desde la electrónica y la espintrónica hasta el almacenamiento y manipulación de información cuántica y la simulación de teorías exóticas de la física de altas energías.

Estas propiedades inusuales surgen porque los electrones que se mueven dentro del material de cinco capas pueden “comunicarse” entre sí, un fenómeno conocido como “correlación electrónica”. La aparición de los tres fenómenos diferentes (conducción eléctrica, magnetismo y comportamiento topológico) depende del número de electrones que impregnan el sistema.

Plataforma de pruebas donde se observaron las nuevas propiedades.
[Imagen: Tonghang Han et al. - 10.1038/s41565-023-01520-1]
Plataforma de pruebas donde se observaron las nuevas propiedades.
[Imagen: Tonghang Han et al. – 10.1038/s41565-023-01520-1]

Es grafito, no grafeno.

Técnicamente, el grafeno es una capa monoatómica de grafeno. Así, cinco capas apiladas de grafeno vuelven a convertirse en grafito, el mismo material que forma la punta de los lápices o sirve como lubricante; recordemos que el grafeno se descubrió cuando los científicos utilizaron cinta adhesiva para eliminar una única capa de átomos de grafito.

Y esta “pentacapa de grafeno” también es diferente del pentagrafeno, una lámina monoatómica de carbono puro con una estructura pentagonal (de 5 lados), mientras que el grafeno tiene una estructura hexagonal (de 6 lados).

Lo que no se esperaba era que de un simple apilamiento resultara algo mucho mayor que la suma de sus partes. Pero debe haber exactamente cinco capas, formando un grafito pentacapa, apiladas en un orden muy preciso, conocido como apilamiento romboédrico o sistema cristalino trigonal: hay más de 10 posibles órdenes de apilamiento para cinco capas, siendo el romboédrico solo uno de ellos. .

“Nuestro trabajo establece que el grafeno multicapa apilado romboédricamente es una plataforma altamente ajustable para estudiar estas nuevas posibilidades de física topológica y fuertemente correlacionada”, concluyeron los investigadores.

Físicos del MIT convierten el grafito de lápiz en “oro” electrónico

Los físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) lograron una hazaña impresionante: transformaron el simple grafito de un lápiz en un material similar al “oro” en el mundo de la electrónica. Este avance podría allanar el camino hacia una nueva era de dispositivos electrónicos más eficientes y sostenibles.

El grafito, un material común que se encuentra en los lápices, se ha transformado en grafeno, una forma de carbono que es un conductor de electricidad extremadamente eficiente. El grafeno se conoce como “oro electrónico” debido a sus propiedades excepcionales, que incluyen alta conductividad, flexibilidad y resistencia.

Los físicos del MIT utilizaron un proceso llamado epitaxia de van der Waals para transformar el grafito en grafeno. Este proceso implica la deposición de átomos sobre una superficie para formar una fina capa de material. El resultado es un material que tiene el potencial de revolucionar la industria electrónica.

Este avance podría tener implicaciones significativas para el futuro de la tecnología. El grafeno tiene potencial para sustituir al silicio, el material utilizado actualmente en la mayoría de los dispositivos electrónicos. Esto podría conducir a dispositivos más eficientes energéticamente, más rápidos y más duraderos.

Bibliografía:

Artículo: Aislador correlacionado y aisladores Chern en grafeno pentacapa apilado romboédrico
Autores: Tonghang Han, Zhengguang Lu, Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang, Tianyi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park, Long Ju
Revista: Naturaleza Nanotecnología

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