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Desarrollan nuevo material con base en el grafeno

Su nombre de mercado es GraphExeter, fue creado en 2012 a partir del célebre material, es capaz de resistir una humedad del 100% y temperaturas de más de 600ºC en el vacío. Entre sus posibles aplicaciones están paneles solares, dispositivos electrónicos para vestir (‘wearables’) o componentes espaciales

Es una versión mejorada del grafeno. Desde que fue sintetizado por primera vez en la Universidad de Manchester en 2004, este material ha fascinado a los científicos por sus fabulosas características: es extremadamente delgado (tiene un grosor de sólo un átomo), transparente, flexible y conduce la electricidad mejor que ningún otro metal conocido. Pero también puede perfeccionarse, como han demostrado desde entonces diversos laboratorios de todo el mundo, que han emprendido una carrera para desarrollar nuevos materiales a partir del grafeno, diseñados con características específicas en función de las necesidades de cada producto.

Así, GraphExeter nació en 2012 en el Centro para la Ciencia del Grafeno gracias al trabajo de dos investigadores de otra universidad británica, la de Exeter. Saverio Russo y Monica Craciun hicieron un sándwich de grafeno colocando, en medio de dos capas de este material, moléculas de cloruro de hierro.

Durante su presentación, ya hablaron de sus potenciales prestaciones y de la posibilidad de que sirva para reemplazar al óxido de estaño e indio (ITO, por sus siglas en inglés), el ingrediente transparente más usado para conducir la electricidad en dispositivos electrónicos. La fabricación de paneles solares transparentes y flexibles o de wearables (dispositivos y accesorios inteligentes que se llevan puestos, pues se colocan directamente en la piel o van incorporados en prendas de vestir) se perfilaban ya entonces como posibles aplicaciones del GraphExeter.

Ahora, en un artículo publicado esta semana en la revista Scientific Reports, los mismos autores profundizan en las características de este hermano del grafeno y aseguran que es capaz de resistir condiciones ambientales extremas, como temperaturas muy altas (de 150º C y hasta 620º C en el vacío) y una humedad del 100% durante 25 días, con lo que sus usos potenciales podrían ampliarse a más campos.

«GraphExeter conduce la electricidad 1.000 veces mejor que el grafeno», asegura a este diario Saverio Russo, que confirma que el material inventado por su equipo ya ha salido del laboratorio y está siendo utilizado en la fabricación de diversos prototipos.

Sin embargo, debido a los contratos de confidencialidad que han firmado, no puede revelar todavía «ni los productos que se están desarrollando ni las compañías» que trabajan con el material que ha inventado. «Dé rienda suelta a su imaginación y lo que se le ocurra, no estará muy lejos de la realidad», propone.

«Los manuales de instrucciones de las televisiones LCD y LED normalmente advierten que la vida útil del producto puede acortarse cuando se utiliza en entornos con humedad o temperaturas muy altas. Una de las razones principales por las que esto ocurre es porque se degradan los materiales transparentes y que conducen la electricidad usados en la actualidad. Simplemente, sustituyendo estos materiales por GraphExeter, estos productos serían más resistentes en entornos con duras condiciones, como humedad del 100% y temperaturas de hasta 600ºC», añade.

Además de alargar la vida de pantallas y productos electrónicos en entornos domésticos, como cocinas, baños o terrazas, y de aumentar la eficiencia de paneles solares y su resistencia a las condiciones climáticas adversas, el investigador subraya que «ambientes extremos como los que es capaz de soportar GraphExeter también se dan en diversas plantas industriales, por ejemplo en las centrales nucleares».

Asimismo, propone, su material podría resultar muy útil en el sector espacial, donde los componentes deben soportar condiciones extremas. «Por ejemplo, ¿no sería fantástico investigar la actividad del Sol cada vez más cerca de él? Harían falta detectores fabricados con materiales que pudieran resistir en ambientes muy duros. GraphExeter, que ya es compatible con el carburo de silicio (SiC), un material semiconductor muy usado en la actualidad para alimentar dispositivos electrónicos, es un candidato excelente para impulsar la exploración espacial», señala.

Los ingredientes de GraphExeter

«Para fabricar GraphExeter necesitamos grafeno y unas moléculas denominadas FeC13», explica Russo. Estas moléculas mejoran la conductividad del grafeno sin alterar su transparencia. Por lo que respecta a los costes de producción, sostiene que «son similares a los del grafeno e inferiores al precio del óxido de estaño e indio, que es el material transparente más utilizado para conducir la electricidad en los dispositivos actuales».

Uno de los principales inconvenientes del óxido de estaño e indio, menos flexible que el GraphExeter, es que sus reservas en la naturaleza son limitadas y, debido a la gran demanda que hay para fabricar dispositivos electrónicos, se calcula que podrían llegar a agotarse a lo largo de esta década.
 
 

FULLERENOS PARA UN MATERIAL CON MÁS DUREZA QUE EL DIAMANTE

El grafeno y los materiales desarrollados a partir de él, como el mencionado GraphExeter, no son los los únicos con propiedades asombrosas que están siendo inventados en los laboratorios inspirándose en la naturaleza. Pero simplificar y abaratar el proceso para producirlos a gran escala sigue siendo uno de los retos en el campo de la ciencia de los materiales.

Recientemente, un equipo de investigadores rusos anunció que habían desarrollado un método para acelerar la producción industrial del fullerite, un material que supera en dureza al diamante, y encabeza la lista de los denominados materiales ultraduros.

Se trata de un polímero fabricado con fullerenos, unas moléculas esféricas compuestas por átomos de carbono que fueron descubiertas en la naturaleza en 1985.

Según explicaron en la revista Carbon, han logrado sintetizar este material mediante una técnica que permite producirlo a temperatura ambiente y a baja presión.

 

 

Los investigadores pertenecen a dos centros rusos, el Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials, en Troitsk, y el Institute of Physics and Technology de Moscú. Según detallan, sintetizarlo en grandes cantidades era muy complicado debido a la gran presión que requería el proceso, 13 gigapascales (GPa), o 130.000 veces la presión atmosférica, para que la reacción comenzara, pues no disponen de maquinaria capaz de ejercer tal presión a gran escala. Pero comprobaron que si añadían a la mezcla disulfuro de carbono (CS2), se aceleraba la síntesis de este material, incluso, aunque la presión fuera de sólo 8 GPa.

Y si anteriormente, cuando la presión era de 13 GPa el proceso requería una temperatura de unos 820ºC, ahora lo han logrado hacer a temperatura ambiente.

Fuente: El Mundo. Aportado por Eduardo J. Carletti

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La Naturaleza lo hizo primero: sensores ultrasensibles basados en alas de mariposas

Mucha tecnología avanzada se inspira en la naturaleza, los investigadores desarrollan ahora sensores ultra-sensibles de imagen térmica y química a partir del estudio e imitación de las propiedades de las diferentes microescalas de las alas de mariposa del género Morpho

Llevando la detección de calor a un nuevo nivel de sensibilidad y velocidad, un equipo de científicos de GE Global Research, la filial del desarrollo de tecnología para la General Electric Company (NYSE: GE), anunció nuevos sistemas nanoestructurados bio-inspirados que podrían superar a los dispositivos de imágenes térmicas disponibles hoy en día. Este descubrimiento se suma a una creciente lista de nuevas capacidades que los investigadores han desarrollado gracias a sus estudios de las alas de la mariposa Morpho.

La reacción natural de las alas de los insectos holometábolos al entrar en contacto con fuentes de calor, gases o productos químicos, permitirá desarrollar una nueva generación de biosensores de elevada sensibilidad. Un equipo de investigadores dirigidos por el científico Radislav Potyrailo de GE Global Research está desarrollando sensores ultra-sensibles de imagen térmica y química a partir del estudio e imitación de las propiedades de las diferentes microescalas de las alas de mariposa del género Morpho.

El programa utiliza tecnologías innovadoras como la nanotecnología y los últimos avances en fotónica para tomar la morfología de las alas de mariposa como fuente de inspiración y resolver problemas tecnológicos que la naturaleza ha resuelto por sí misma. Este proceso de investigación, conocido como biomímesis, pretende explicar la compleja interacción de las escalas con la luz y que da como resultado ese vibrante brillo verde azulado tan característico.

A partir de la observación directa de las alas de las mariposas del género Morpho por medio de microscopios electrónicos de gran potencia, los científicos observaron el mecanismo utilizado por estos insectos holometábolos para experimentar una curiosa transformación de color al entrar en contacto con fuentes de calor, gases y productos químicos.

El equipo de GE descubrió que este fenómeno se debía a una compleja estructura, capaz de absorber y modular la luz formada por una capa de diminutas escamas de apenas unas decenas de micrómetros de diámetro, que a su vez estaban integradas por subescamas con crestas de unos cientos de nanómetros de ancho. De tal forma que cuando la radiación infrarroja incide sobre la superficie de las alas, se incrementa su temperatura produciendo una expansión paulatina de su nanoestructura que genera iridiscencia y una sorprendente transformación de color.

Pues bien, esta reacción natural de la nanoestructura de alas tipo Morpho ante a las condiciones del entorno podría algún día ayudar a crear sofisticados mapas visuales de calor para dispositivos portátiles de diagnóstico médico, cámaras de vigilancia de alta sensibilidad, o gafas de visión nocturna, entre otros. Para ello, el equipo de Potyrailo ha utilizado los últimos avances en nanotecnología y fotónica para imitar el comportamiento de estas microestructuras con las que poder desarrollar biosensores ultra-sensibles capaces de proporcionar una mejor respuesta al calor, e incluso detectar hasta 1.000 productos químicos diferentes.

De hecho, los investigadores están mejorando su capacidad de respuesta agregando nanotubos de carbono, capaces de incrementar la cantidad de radiación que la superficie puede absorber, con el propósito de aumentar su sensibilidad térmica.

 

 

Esta nueva generación de biosensores se podría utilizar para detectar posibles problemas de seguridad médica en la evaluación de órganos internos, o la cicatrización de heridas, así como posibles problemas de seguridad ambiental como el control de las emisiones en las centrales eléctricas o detectar posibles fugas susceptibles de generar explosiones.

Fuente: GE Global Research y otros sitios. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Plasmones del grafeno, una luz para los dispositivos de nueva generación

Investigadores de CIC nanoGUNE, el ICFO y Graphenea proponen una plataforma tecnológica basada en antenas metálicas que permiten atrapar y controlar la luz en grafeno, un material de un solo átomo de espesor. La luz guiada y confinada en este material, de un solo átomo de espesor, puede ser dirigida y curvada siguiendo la óptica convencional, lo que abre nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos y circuitos fotónicos más pequeños y rápidos

Los circuitos y dispositivos ópticos podrían realizar el procesamiento de señales y la computación mucho más rápidamente. «Sin embargo, aunque la luz es muy rápida, necesita demasiado espacio», explica Rainer Hillenbrand, profesor Ikerbasque en nanoGUNE y la Universidad del País Vasco (UPV/EHU). De hecho, la propagación de la luz necesita al menos el espacio de la mitad de su longitud de onda, que es mucho más grande que los componentes electrónicos básicos de última generación en nuestros ordenadores. Por esa razón, surge el desafío de comprimir la luz y controlar su propagación en la nanoescala a través de un material dado.

Una posible solución podría ser el grafeno, material de una sola capa de átomos de carbono con propiedades extraordinarias. La longitud de onda de la luz capturada por una capa de este material puede ser reducida considerablemente, en un factor de 10 a 100, en comparación con la luz que se propaga en el espacio libre. Como consecuencia, esta luz que se propaga a lo largo de la capa de grafeno —llamada plasmón del grafeno— requiere mucho menos espacio. Pero la transformación de manera eficiente de la luz en plasmones del grafeno y su manipulación con un dispositivo compacto es todo un reto tecnológico.

Una nanobarra de metal sobre grafeno puede actúar como una antena para la luz

Ahora un equipo de investigadores de nanoGUNE, ICFO y Graphenea –miembros del Grafene Flagship de la UE– demuestra que el concepto de antena comúnmente utilizado para las ondas de radio podría ser una solución prometedora. El equipo muestra que una barra de metal de tamaño nanométrico colocada sobre el grafeno puede captar luz infrarroja (actúando como una antena para la luz) y transformarla en plasmones del grafeno, de forma análoga a una antena de radio que convierte las ondas de radio en ondas electromagnéticas en un cable metálico. El estudio se publica en la revista Science.

«Presentamos una plataforma tecnológica versátil, basada en antenas ópticas resonantes, para el lanzamiento y el control de la propagación de plasmones del grafeno, lo que representa un paso esencial para el desarrollo de circuitos plasmónicos con grafeno», comenta el líder del equipo, Rainer Hillenbrand.

Por su parte, Pablo Alonso-González, quien llevó a cabo los experimentos en nanoGUNE, destaca algunas de las ventajas que ofrece el dispositivo de antena: «La excitación de los plasmones del grafeno es puramente óptica, el dispositivo es compacto y la fase y los frentes de onda de los plasmones se pueden controlar directamente mediante la adaptación de la geometría de las antenas. Esto es esencial para el desarrollo de aplicaciones ópticas basadas en el enfoque y guiado de luz».

El equipo de investigación también realizó estudios teóricos. Alexey Nikitin, Ikerbasque Fellow en nanoGUNE y autor de los cálculos, explica que de acuerdo a la teoría, «la operación de nuestro dispositivo es muy eficiente, y todas las futuras aplicaciones tecnológicas dependerán, esencialmente, de las limitaciones en la fabricación y la calidad del grafeno».

Nanoantenas de oro sobre grafeno

Los experimentos muestran que los principios de la óptica convencional se aplican a los plasmones del grafeno

Basándose en los cálculos de Nikitin, el grupo de Nanodispositivos de nanoGUNE, liderado por los investigadores Ikerbasque Luis Hueso y Félix Casanova, fabricó nanoantenas de oro sobre grafeno proporcionado por Graphenea. Posteriormente, el grupo de Nanoóptica utilizó el microscopio de campo cercano NEASPEC para visualizar cómo los plasmones del grafeno se ponen en marcha y se propagan a lo largo de la capa de grafeno. En las imágenes, los investigadores vieron que, efectivamente, las ondas sobre el grafeno se propagan lejos de la antena, de la misma forma que se propagan las olas en una superficie de agua cuando se lanza una piedra a la misma.

Con el fin de probar si la propagación de luz a lo largo de una capa de carbono de un solo átomo de grosor sigue las leyes de la óptica convencional, los investigadores diseñaron distintos experimentos para enfocar y refractar la luz. Para el experimento de enfoque, curvaron la antena. Las imágenes resultantes mostraron que los plasmones del grafeno se concentran a una cierta distancia de la antena, como cuando un haz de luz se focaliza con una lente o espejo cóncavo.

El grupo también observó que los plasmones del grafeno se refractan (cambian de dirección) cuando pasan a través de una doble capa de grafeno en forma de prisma, de forma análoga a como se flexiona un haz de luz al pasar a través de un prisma de cristal.

 

 

«La principal diferencia es que el prisma de grafeno es de solo dos átomos de espesor. Es el prisma óptico refractor más delgado que se conoce», dice Rainer Hillenbrand. Curiosamente, los plasmones del grafeno cambian de dirección porque la conductividad es mayor en el prisma de dos átomos de espesor que en la capa de un solo átomo que lo rodea. En el futuro, tales cambios de conductividad en el grafeno podrían ser establecidos por medios electrónicos simples, lo que permitiría un control altamente eficiente de la refracción, entre otros, para aplicaciones de guiado de luz.

En definitiva, los experimentos muestran que los principios fundamentales y más importantes de la óptica convencional también se aplican a los plasmones del grafeno, es decir, a luz extremadamente comprimida que se propaga a lo largo de una sola capa de átomos de carbono. Los futuros desarrollos basados en estos resultados podrían conducir a circuitos y dispositivos ópticos extremadamente miniaturizados que podrían ser útilizados en aplicaciones de detección y computación.

Referencia bibliográfica:

P. Alonso-González, A.Y. Nikitin, F. Golmar, A. Centeno, A. Pesquera, S. Vélez, J. Chen, G. Navickaite, F. Koppens, A. Zurutuza, F. Casanova, L.E. Hueso 1,5 and R. Hillenbrand 1,5. “Controlling grapheme plasmons with resonant metal antennas and spatial conductivity patterns” Science (2014) DOI: 10.1126/science.1253202.

Fuente: Sinc. Aportado por Eduardo J. Carletti

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