Technology Buzz, Abril 2020 -The Graphene Corner
El Rincón de Grafeno
El grafeno es el material más ligero conocido. Producido en láminas simples, está compuesto de átomos de carbono unidos en una red en forma de panal de abeja que tiene sólo un átomo de espesor. Hiperconductor y 100 a 300 veces más fuerte que el acero, también es increíblemente barato.
Descubierto en 2003, hasta hace poco tiempo, nadie sabía qué hacer con él. Ahora, es un material de vanguardia que se está combinando todo el tiempo con todo tipo de otras sustancias para desarrollar variedades de inventos que van desde la electrónica a los dispositivos médicos y la eficiencia energética. Por eso estamos introduciendo esta mini-función, «La Esquina del Gráfico», para estar al día con todas las innovaciones.
Nave espacial abandonada de la década de 1950 con energía mejorada por grafeno
Vemos emisiones termiónicas todo el tiempo. Por ejemplo, cuando se calienta un metal, como el filamento de una lámpara incandescente, sus electrones toman MUCHA energía hasta que se liberan de las órbitas nucleares y fluyen desde la superficie calentada hacia una más fría. Esto también se conoce como el Efecto Edison.
Los convertidores de energía termiónica (TEC) se desarrollaron en la década de 1950 y llegaron a utilizarse para el suministro de energía de las naves espaciales. Los TEC convierten el calor en electricidad aprovechando ese proceso. Los convertidores termoiónicos tienen dos electrodos, uno caliente (que es el cátodo o emisor) y uno frío (que es el ánodo o placa). Los electrodos están separados por un hueco y se mantienen en un tubo de vacío. Cuando el electrodo caliente se calienta a más de 2240°F, los electrones fluyen como corriente hacia el hueco. El número de electrones que se emiten desde el electrodo caliente depende de la temperatura y de la cantidad de energía que han absorbido (llamada «función de trabajo»). Debido al calor, el plasma se forma en el espacio entre los dos electrodos. La cantidad de corriente puede ser sólo de 0,5 a 1 voltio pero a varios amperios de potencia, haciendo que el rango de eficiencia esté entre el 5 y el 20%. Debido a la cantidad de calor involucrado, era difícil hacerlos funcionar eficientemente con las centrales eléctricas que queman combustibles fósiles, por lo que la tecnología estaba esencialmente paralizada.
Pero eso podría estar cambiando. Recientemente, investigadores de la Universidad de Stanford dirigidos por el profesor Roger Howe hicieron algunos cambios en el diseño de las TEC. Utilizando un ánodo basado en gráficos como colector en lugar del tradicional tungsteno y haciendo ajustable la separación entre los electrodos, hicieron una TEC que era 6,7 veces más eficiente en la conversión de calor en electricidad a una temperatura mucho más baja de 1832°F.
Aunque actualmente se encuentra en forma experimental, el objetivo es incorporar las TEC en las plantas térmicas (como las plantas de combustibles fósiles y geotérmicas) para convertir aún más energía de su calor y utilizar menos combustible.
Transistores de grafeno – Un trabajo en progreso
Inventado en los laboratorios Bell en los años 50, los transistores pueden funcionar como amplificadores de señal e interruptores de encendido y apagado. Los transistores básicos tienen tres conectores y vienen en dos sabores de semiconductor: negativo-positivo-negativo (NPN) y positivo-negativo-positivo (PNP). Debido a su bajo consumo de energía y a la velocidad de conmutación, los transistores se conocen desde hace tiempo como el componente básico del chip de ordenador. El primer chip de Intel en 1971 tenía 2.300 transistores y funcionaba a 740 Khz. Un procesador Core de Intel de cuarto generación tiene 1.700 millones de transistores y funciona a 3 GHz. El problema que ha estado al acecho durante años ha sido que los semiconductores de silicio sólo pueden cambiar tan rápido.
Mientras que la hiperconductividad del grafeno suena como una bendición para la industria de la informática, hay un problema – no hay ningún hueco de banda en ninguna parte del material.
¿Qué es una brecha de banda? En el modelo clásico de un átomo, tienes un núcleo que tiene un enjambre de electrones orbitándolo. Se cree que las órbitas están dispuestas en bandas. Las bandas más cercanas al núcleo que tienen electrones en ellas se conocen como niveles del núcleo. Las bandas que están más alejadas con electrones en ellas se llaman bandas de valencia. Ambas bandas de electrones se mantienen firmemente en su lugar por el núcleo. La siguiente banda que sale es la banda de conducción y aquí es donde los electrones viajeros entran y salen. Si hay un gran espacio entre la banda de valencia y la banda de conducción, los electrones no pueden salir muy fácilmente, lo que hace que ese material sea un aislante.
En el caso de los metales, las bandas de valencia y conducción se superponen. Cuando un electrón en la banda de valencia se excita – por ejemplo, por el calor, puede saltar al nivel de conducción cuando obtiene suficiente energía. Pero en los materiales que son semiconductores, hay una brecha entre las bandas de valencia y conducción, por lo que a veces actuará como un metal, otras veces como un aislante.
Para usar el grafeno como semiconductor, una sola hoja puede ser dopada con nitrógeno para que actúe como si tuviera un hueco en la banda. O bien, se utilizan dos hojas de grafeno con una apilada sobre la otra, llamada grafeno bicapa. Aplicando un fuerte campo eléctrico perpendicular a las hojas se induce un hueco en la banda. Esto hace que el grafeno sea tan tentador de usar porque es sólo un átomo de espesor y millones (si no miles de millones) de transistores de baja potencia podrían ser utilizados para un solo procesador muy barato. Desafortunadamente, la bilocación es extremadamente difícil de hacer en la actualidad porque las capas deben ser alineadas con precisión.
Una vez que se desbloquee el secreto para hacer asequibles los transistores de grafeno, mira para ver un aumento de cien veces en la velocidad del procesador de la computadora.
Circuitos impresos…Literalmente
Mientras que los transistores de grafeno pueden estar a unos pocos años de distancia, el grafeno se está utilizando para imprimir transistores. Los investigadores de AMBER, financiados por la Fundación Científica de Irlanda y alojados en el Trinity College de Dublín, anunciaron que habían impreso -como en la impresión por chorro de tinta- nano-transistores 2D utilizando nano hojas de grafeno como electrodos y otros dos nanomateriales, diseleniuro de tungsteno (semiconductor) y nitruro de boro (aislante). La gran innovación es la creación de la tinta de materiales en capas que puede imprimir de forma fiable los nanomateriales en papel o tela y ser de larga duración. El grafeno, en este caso, fue cortado en escamas ( exfoliación) de sólo unos pocos nanómetros de espesor por cientos de nanómetros de ancho y mezclado en una tinta fiable y escalable para su uso en la industria.
Una posibilidad futura es que los circuitos electrónicos impresos permitan que los productos de consumo transmitan información a su teléfono inteligente. Pero antes de que te acobardes ante la idea de que tus comestibles te envíen mensajes de texto todo el tiempo, esta tecnología puede ser utilizada para la seguridad, identificación, etiquetado de drogas y control de la salud cuando se aplica a la ropa.
