Grafeno: la perfección es inútil

Buenas noticias para la comunidad mundial del grafeno

30.08.2023 - Austria

El material de carbono grafeno posee excelentes propiedades electrónicas. Pero, ¿son también lo bastante estables para ser útiles en la práctica? Los cálculos de la Universidad Técnica de Viena dicen: Sí.

Nada en el mundo es perfecto. Esto también es cierto en la investigación de materiales. En las simulaciones por ordenador, a menudo se representa un sistema de forma muy idealizada; por ejemplo, se calculan las propiedades que tendría un cristal absolutamente perfecto. En la práctica, sin embargo, siempre tenemos que lidiar con efectos adicionales: con defectos en la red cristalina, con partículas adicionales que se adhieren al material, con interacciones complicadas entre las partículas. Por tanto, la pregunta crucial es: ¿Estos efectos adicionales inevitables modifican o no las propiedades del material?

Esto es especialmente interesante en el caso del material bidimensional grafeno, que consta de una sola capa de átomos de carbono. Desde hace tiempo se sabe que el grafeno posee excelentes propiedades electrónicas. Sin embargo, hasta ahora no estaba claro hasta qué punto son estables. ¿Se destruyen con las perturbaciones y efectos adicionales, inevitables en la práctica, o permanecen intactas? La Universidad Técnica de Viena ha conseguido desarrollar un modelo informático completo de estructuras de grafeno realistas. Resultó que los efectos deseados son muy estables. Incluso las piezas de grafeno que no son del todo perfectas pueden utilizarse bien para aplicaciones tecnológicas. Son buenas noticias para la comunidad mundial del grafeno.

El grafeno: un material del futuro: BAM desarrolla normas para aplicaciones industriales

Proyecto ISO-G-SCoPe

Leer noticia

Muchos caminos pasan por el grafeno

"Calculamos a escala atómica cómo se propaga la corriente eléctrica en un trocito de grafeno", explica el profesor Florian Libisch, del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena. "Hay distintas formas en que un electrón puede moverse por el material. Según las reglas de la física cuántica, no tiene que elegir uno de estos caminos; el electrón puede tomar varios caminos al mismo tiempo".

Estos caminos pueden solaparse de distintas maneras. A valores de energía muy concretos, los caminos se anulan entre sí; a esta energía, la probabilidad de que los electrones atraviesen la pieza de grafeno es muy baja, y la corriente eléctrica es mínima. Esto se denomina "interferencia destructiva".

"El hecho de que el flujo de corriente disminuya drásticamente a valores de energía muy concretos por razones de física cuántica es un efecto muy deseable tecnológicamente", explica Florian Libisch. "Se puede utilizar, por ejemplo, para procesar información a escala diminuta, de forma similar a lo que hacen los componentes electrónicos en los chips de ordenador".

También se puede utilizar para desarrollar novedosos sensores cuánticos: Supongamos que una pieza de grafeno no conduce prácticamente ninguna corriente. Entonces, de repente, una molécula del exterior se adhiere a la superficie del grafeno. "Esta molécula cambia ligeramente las propiedades electrónicas del grafeno, lo que puede bastar para aumentar drásticamente el flujo de corriente", explica Robert Stadler. "Esto podría utilizarse para fabricar sensores extremadamente sensibles".

Numerosas interferencias posibles

Pero los efectos físicos que intervienen en los detalles son muy complicados: "El tamaño y la forma de la pieza de grafeno no son siempre los mismos, y hay interacciones de muchos cuerpos entre varios electrones que son muy difíciles de calcular matemáticamente. Puede haber átomos extra no deseados en algunos lugares, y los átomos siempre se tambalean un poco: todo esto hay que tenerlo en cuenta para poder describir el grafeno material de una forma verdaderamente realista", dice el Dr. Angelo Valli.

Esto es exactamente lo que se ha conseguido ahora en la Universidad Técnica de Viena: Angelo Valli, Robert Stadler, Thomas Fabian y Florian Libisch tienen años de experiencia en la descripción correcta de distintos efectos de los materiales en modelos informáticos. Combinando sus conocimientos, han logrado desarrollar un modelo informático completo que incluye todas las fuentes de error y efectos de perturbación relevantes que existen en los gráficos. Y al hacerlo, han podido demostrar: Incluso en presencia de estas fuentes de error, los efectos deseados siguen siendo visibles. Todavía es posible encontrar una cierta energía en la que la corriente fluye sólo en muy pequeña medida debido a efectos cuánticos. Los experimentos ya habían demostrado que esto es plausible, pero hasta ahora faltaba una investigación teórica sistemática.

Esto demuestra que el grafeno no tiene por qué ser perfecto para utilizarse en la tecnología de la información cuántica o la detección cuántica. Para la investigación aplicada en este campo, se trata de un mensaje importante: Los esfuerzos mundiales por utilizar los efectos cuánticos del grafeno de forma controlada son realmente prometedores.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Publicación original

Angelo Valli, Thomas Fabian, Florian Libisch, and Robert Stadler: Stability of destructive quantum interference antiresonances in electron transport through graphene nanostructures, Carbon 214, 118358 (2023).

https://www.quimica.es/noticias/1181430/grafeno-la-perfeccion-es-inntil.html